10.5. Потребление кислорода икрой сиговых рыб на разных этапах и стадиях развития
Этой теме посвящено значительное количество работ: по икре осетровых — Ска-
довский, Морозова, 1937; Коржуев, 1941; Мухина, 1950; Вернидуб, 1951; по икре лосо-
севых — Привольнев, 1938; 1941; Вернидуб, 1941; Остроумова, 1957; по карповым —
Безлер, 1932, 1939; Привольнев, 1939, Гулидов, 1971, 1974; по окуневым — Трифонова,
1939; по сельдевым — Мухина, 1950; Володин, 1956; Григорьева, 1956; по щуке —
Гулидов, 1969, 1972). Интересно отметить, что единого мнения о характере дыхания
зародышей рыб не существует. Одни авторы (Безлер, 1939; Коржуев, 1941) считают, что
потребление кислорода развивающейся икрой возрастает постепенно, другие (Трифо-
нова, 1939; Вернидуб, 1941; Привольнев, 1941; Олифан, 1945) полагают, что в ходе раз-
вития зародыша наблюдаются периоды, когда потребление кислорода резко возрастает,
и периоды, когда оно скачкообразно падает, связывая эти изменения с критическими
периодами развития.
Дыхание икры байкальского омуля в условиях проточности изучалось нами (Меще-
рякова, Черняев, 1963) на Большереченском рыбоводном заводе в рыбоводные сезоны
1959–60 и 1960–6I годов при средней температуре развития 0,5° C. Содержание кисло-
рода в воде определялось по методу Винклера, результаты исследований представлены
в таблице 32.
Как видно из представленных материалов, на этапе дробления (первые 10 суток раз-
вития) икра поглощает сравнительно небольшое количество кислорода (0,1 мг на 1000
икринок в час). В яйце в это время происходит увеличение числа бластомеров и одновре-
менно уменьшение их размеров. Газообмен осуществляется диффузно общей поверхно-
стью икринки. Благодаря сокращению цитоплазматического слоя оболочки желтка про-
исходит вращение зародыша внутри оболочки икры, что способствует диффузии газов
в перивителлиновой жидкости.
В процессе дробления бластодиска роста потребления кислорода по мере увеличе-
ния количества клеток с митозами не наблюдалось. Т. И. Привольнев (1936) установил,
что увеличение количества клеток с митозами усиливает потребление кислорода икрой
речной миноги (Lampetra planeri). Однако, этим же автором (Привольнев, 1941) не обна-
ружено резкого возрастания потребления кислорода при дроблении икры свирского сига
(Lavaretus lavaretus).
На этапе обрастания желтка зародыша потребление кислорода икрой омуля не-
сколько возрастает (до 0,13 мг на 1000 икринок в час). Это связано, очевидно, во?пер-
вых, с увеличением массы самого зародыша и, во?вторых, с происходящими в это
199
время важнейшими процессами обрастания и образования осевых органов зародыша.
Они закладываются тогда, когда желточный мешок эмбриона только наполовину по-
крыт бластодермой. К моменту замыкания желточной пробки у эмбриона формиру-
ются глазные бокалы и намечаются основные отделы головного мозга, в туловище
заметны хорда и 10–15 сомитов сегментированной мезодермы. Потребление кисло-
рода сохраняется на прежнем уровне (0,13 на 1000 икринок в час) и удерживается до
50-х суток развития, т. е. до начала движения туловища эмбриона. К этому времени
в глазах эмбриона появляется хрусталик, на переднем конце головы обонятельные
ямки, закладывается сердечная трубка. На границе желточного мешка и туловища,
близ головного отдела, в области первых миотомов, появляются зачатки грудных
плавников, в туловище насчитывается около 60 миотомов, от кишечной трубки начи-
нает обособляться печень.
С момента начала движения туловища зародыша потребление кислорода увеличива-
ется до 0,15 мг на 1000 икринок в час. На этом этапе развития зародыш от протоплазма-
тической переходит к мускульной моторике. Вследствие сокращения миотомов, проис-
ходят изгибы тела вправо и влево, что меняет центр тяжести зародыша и наблюдается
«переваливание» его под оболочкой в перивителлиновом пространстве, что способствует
перемешиванию околожелточной жидкости и ускоряет диффузию газов через оболочку.
Следовательно, увеличение подвижности эмбриона сопровождается усилением дыха-
тельной активности (рис. 73).
Таблица 32.
Потребление кислорода икрой омуля на разных этапах и стадиях развития
в инкубационных аппаратах Вейса (при средней температуре 0,5° C, по 374 пробам)
С началом пульсации сердца и циркуляции кровяной плазмы по сосудам потребление
кислорода возрастает до 0,17 мг на 1000 икринок в час. К этому моменту в глазах заро-
дыша появляется черный пигмент меланин, тело зародыша (особенно хвостовая часть)
значительно вырастает в длину, и движения его становятся более энергичными.
С появлением форменных элементов крови в сосудах эмбриона (к концу декабря, на
75-е сутки развития) потребление кислорода снова резко увеличивается, достигая 0,29 мг
на 1000 икринок в час. С этого этапа эмбрион от пассивного диффузного усвоения кис-
лорода общей поверхностью тела переходит к активному дыханию за счет гемоглобина
форменных элементов крови — сначала гемоцитобластов, потом эритробластов, а затем
эритроцитов (Черняев, 1964). Жаберное дыхание пока отсутствует. Тело эмбриона покры-
то многочисленными пигментными клетками — меланофорами. Эмбрион активно вра-
щается внутри оболочки икры. Маховыми движениями хвоста и разросшихся грудных
плавников создается сильный ток жидкости в перивителлиновом пространстве, направ-
ленный навстречу току крови по капиллярной сосудистой сети желточного мешка, что
позволяет извлекать более половины доступного кислорода благодаря почти постоянно-
му градиенту диффузии по всей длине противоточной системы (Смит, 1986).
При дальнейшем развитии эмбрионов омуля происходит их рост и подготовка к вылу-
плению. Содержащиеся в желточном мешке цитохром и каротиноидные пигменты по
мере сокращения запасов желтка переходят в тело эмбриона и располагаются диффузно,
окрашивая его в светло-желтый цвет. Повышение двигательной активности и начало
функционирования жаберно-челюстного аппарата снова сопровождаются резким повы-
шением потребления кислорода. Гиоидные и мандибулярные дуги аорты активно снабжа-
ют головной отдел и глаза кровью (рис. 73). Поступающая в глаза кровь дополнительно
окисляется в формирующихся псевдобранхиях — вспомогательных глазных жабрах,
детально исследованных С. Г. Крыжановским (1933).
На этапе вылупления при температуре 2–5° C потребление кислорода икрой омуля
достигает максимальных значений и составляет 0,54 мг на 1000 икринок в час, то есть
увеличивается в 5,4 раза по сравнению с начальными стадиями развития, в то время как
дыхательная активность у лосося на том же этапе возрастает в 100 раз (Озернюк, 1985).
Первичная оболочка икринки (Zona radiata) к этому моменту значительно размягчена
и истончена под действием фермента желез вылупления. Активно вращающийся эмбри-
он хвостом прорывает оболочку икры и освобождается от нее путем стягивания оболочки
«через голову», упираясь освободившимся хвостом в затылочную часть головы. Тело сво-
бодных эмбрионов интенсивно пигментировано, запасы питательных веществ желточ-
ного мешка сокращены более чем вдвое. Сокращение кровеносной сети на поверхности
желточного мешка, выполнявшей дыхательную функцию, компенсируется разветвлением
подключичных артерий в грудных плавниках и хвостовой вены в хвостовой плавниковой
складке. К этому времени некоторую дыхательную функцию начинает выполнять и жа-
берный аппарат (рис. 73).
Для получения представления о потреблении кислорода икрой омуля в процессе
эмбрионального развития, были сымитированы условия ограниченного водо- и газооб-
мена при вмерзании в лёд в состоянии «пагона» и проведен анализ результатов опытов
в замкнутых сосудах (Мещерякова, Черняев, 1963; Черняев, 1971, 1984). В банки объемом
I литр помещали по 1000 развивающихся в аппаратах Вейса икринок омуля. Банки запол-
няли водой и закрывали пробками так, чтобы не было пузырьков воздуха. Для создания
водообмена вокруг икринок сосуды вращали электромешалкой. Опыты продолжались 2,
4, 6, 8, 10, 12, 24, 48, 72, 96 и 120 часов. Содержание кислорода в воде определяли перед
201
заполнением банок водой и по окончании опыта. Контролем служили банки, заполнен-
ные водой без икры. Как показали исследования, снижение кислорода в «контроле» не
превышало 0,05 мг/л за сутки.
Результаты опытов приведены в таблице 33. Очевидно, что на всех стадиях развития
икры потребление кислорода снижается по мере удлинения времени опыта. В октябре
(на этапе дробления икры) потребление O2 уменьшается до 0,04 мг на 1000 икринок в час
за первые 6 часов. В последующие часы потребление кислорода замедляется при содер-
жании O2 в воде 13,22 мг/л. В ноябре (на этапе обрастания желточного мешка бласто-
дермой зародыша) потребление O2 в опытных сосудах заметно уменьшается в первые 4
часа — с 0,16 до 0,07 мг/л, а затем оно снова выравнивается при содержании кислорода
в воде 12,99 мг/л.
Сокращение поглощения О2 как в октябре, так и ноябре объясняется тем, что в этот
период развития во время опыта под воздействием вращательных движений электроме-
Таблица 33.
Потребление кислорода икрой омуля на разных этапах и стадиях развития
в изолированных сосудах (имитация «пагона»)
ПРИМЕЧАНИЕ: В числителе — потребление кислорода в мг на 1000 икринок в час, в знамена-
теле — остаточное содержание кислорода в мг на 1 литр в банке. Под «желточным дыханием»
мы подразумеваем дыхательную активность эмбриона при наличии на поверхности желточного
мешка сети капилляров, обеспечивающих газообмен.
202
шалки гибнет значительное количество икры ввиду её высокой чувствительности к ме-
ханическим воздействиям, особенно на этапах дробления и обрастания желтка зародыша
бластодермой.
В декабре эмбрион начинает активные мускульные движения внутри оболочки,
и у него также наблюдается пульсация сердечной трубки. Тем не менее, несмотря на это,
уровень потребления кислорода в опыте практически не увеличивается. В замкнутом
сосуде снижение концентрации кислорода происходит не резко, а постепенно: от 0,16 до
0,07 мг О2 на 1000 икринок в час в течение 96 часов. Икра уже не гибнет от механического
воздействия.
В январе потребление кислорода икрой за первые два часа опыта увеличивается по
сравнению с декабрем до 0,22 мг на 1000 икринок в час. В крови эмбрионов появляются
содержащие гемоглобин форменные элементы крови. В этот период в замкнутом сосуде,
на фоне постепенного снижения содержания кислорода в воде, наблюдается достаточно
высокий уровень его потребления, что указывает на дальнейшее совершенствование ап-
парата дыхания эмбриона.
В феврале благодаря развитию системы кровеносных сосудов желточного мешка,
пока единственного провизорного органа дыхания зародыша, потребление кислорода
возрастает до 0,26 мг на 1000 икринок в час. По мере роста эмбриона и развития жел-
точной сосудистой сети кровообращения способность эмбриона к усвоению кислорода
увеличивается. В силу этого в замкнутом сосуде по мере развития эмбрионов, мы наблю-
даем все более быстрое падение концентрации кислорода по мере продолжения опыта.
Это сокращение содержания О2 продолжается до определенного уровня, характерного
для каждого этапа развития, ниже которого потребление кислорода резко сокращается, но
эмбрионы еще живы. Через некоторое время, при максимальном развитии эмбриональ-
ной системы кровообращения, наступает равновесие между количеством оставшегося
в воде кислорода и способностью дыхательной системы эмбриона к его поглощению.
Так, в феврале потребление кислорода за 48 часов падает вдвое, и угнетение икры насту-
пает при содержании О2 4,81 мг/л; в марте угнетение процесса дыхания наблюдается уже
при 7,48 мг/л и при продолжительности опыта 24 часа.
В апреле потребление кислорода по мере увеличения продолжительности опыта
уменьшается в 2 раза за 8–12 часов, а перед вылуплением в мае за 8 часов опыта потре-
бление О2 снижается в 4,5 раза. Это явление можно объяснить тем, что по мере развития
зародыша и совершенствования его органов дыхания общее потребление кислорода зна-
чительно возрастает. В случае прекращения процесса перемешивания наблюдается ги-
бель от асфиксии всех подопытных икринок. При недостаточности кислорода, в первую
очередь, поражаются органы центральной нервной системы, что выражается в помутне-
нии тканей головного мозга, тогда как сердце продолжает пульсировать, а желточный
мешок остается прозрачным.
Данные о потреблении кислорода икрой омуля по стадиям развития в замкнутых сосу-
дах приведены в таблице 34. В экспериментах с замкнутыми сосудами поддерживать низ-
кую начальную температуру воды не представлялось возможным. Обычно за время опыта
она возрастала от 0,5° до 2–2,5° зимой и от 2 до 5–6° весной. Несмотря на это, потребление
кислорода развивающейся икрой омуля на сходных этапах и стадиях развития в замкнутых
опытных сосудах было лишь ненамного меньше, чем в проточных аппаратах Beйca с посто-
янной температурой, даже при отсутствии притока кислорода со свежей водой.
В последний месяц развития в опытах с замкнутыми сосудами икра потребляла зна-
чительно больше О2, чем в проточных аппаратах Вейса (сравнить таблицы 33 и 34). Это
203
явление можно объяснить тем обстоятельством, что в мае уже в первые часы опыта из
икры вылуплялось значительное количество личинок омуля, в результате чего кислород
расходовался не только на дыхание икры, но и на активные плавательные движения вылу-
пившихся эмбрионов. В то же время в аппаратах Вейса вылупления еще не наблюдалось.
Изучение потребления кислорода икрой в опытных условиях позволило установить
порог угнетения и летальное содержание кислорода для икры и личинок омуля (таблица
35). На поздних этапах развития икра сиговых рыб быстро погибает, главным образом,
из-за отсутствия проточности. Приводимые в таблице значения получены в условиях
проточности (при постоянном перемешивании воды в стеклянных сосудах). При отсут-
ствии водообмена вокруг икринки гибель эмбриона наступает при гораздо более высоких
значенииях концентрации кислорода.
В замкнутом неподвижном сосуде после двух-трехчасового выдерживания личинки
переставали плавать и оседали на дно при концентрации кислорода 1,75–1,87 мг/л и на-
чинали снова активно плавать в случае смены воды на свежую. При концентрации кис-
лорода 1,26–1,48 мг/л при отсутствии перемешивания воды наступала гибель личинок.
Если икра постоянно перемешивалась, то ее гибель на ранних стадиях кровообращения
наступала при концентрации кислорода 1,13, а перед вылуплением — 1,44 мг/л.
На основании полученных нами данных можно утверждать, что у икры омуля на
критических стадиях развития (бластула, гаструла, рост хвостовой почки и т. д.) интен-
Таблица 34.
Потребление кислорода икрой омуля на разных этапах и стадиях развития (опыты
в замкнутых сосудах в количестве 200 проб)
сивность дыхания не снижается. Это согласуется с данными Т. Привольнева (1941) по
свирскому сигу и А. Н. Строганова (1987) по белорыбице, у которых, так же как у омуля,
уровень потребления кислорода возрастает постепенно. Это, видимо, является общим
свойством икры сиговых рыб, содержащей значительное количество каротиноидных пиг-
ментов и цитохрома (Черняев, 1987; Черняев и др. 1988; Валюшок, 1988; Микулин, 2000),
которые, участвуя в обменных процессах, сглаживают пики дыхательной активности,
поддерживая жизнедеятельность зародыша в ледяном плену — в состоянии «пагона», где
диффузия газов через лед замедлена. Такое плавное увеличение уровня дыхания, вероят-
но, адаптировано к развитию во льду. Проведенные А. Н. Строгановым (1987) исследова-
ния дыхательной активности икры другой сиговой рыбы — белорыбицы — с примене-
нием более точных методов регистрации кислорода «ин виво» (при помощи герметичной,
непроточной, термостатированной камеры, с нижним платиновым электродом, со съемом
информации на полярографе) показали следующее.
Потребление кислорода эмбрионами и личинками сиговых рыб на примере белорыби-
цы проходило при средней температуре 2,05° C. (рис. 74).
Скорость потребления кислорода на IV этапе — гаструляции — была равна 0,0051 мг
O2 ? 100 экз?1 ? I час?1. Перед вылуплением из оболочки — 0,054, сразу после вылупле-
ния — 0,067 мл 02 ? 100 экз?1 ? I час?1. Характерная для зародышей сёмги и радужной
форели стабилизация дыхания на этапах начала эритроцитарного (VII) и печёночно-жел-
точного (VIII) кровообращения, у белорыбицы выражена слабо, что полностью под-
тверждает наши данные по байкальскому омулю (Мещерякова, Черняев, 1963) (рис. 75).
Дыхательная функция в эмбриогенезе претерпевает ряд превращений: происходит
смена структур и механизмов, что наиболее ярко проявляется у видов рыб, развитие
которых проходит при низком насыщении воды кислородом (Резниченко, 1982). Эти
механизмы отличаются как эффективностью переноса кислорода, так и энергозатрата-
ми, связанными с их формированием и функционированием. По вопросу о связи между
особенностями развития дыхательной функции и динамикой потребления кислорода
в процессе развития существует две точки зрения. Согласно одной, смена механизмов
дыхания достаточно хорошо прослеживается в динамике потребления кислорода (Без-
Таблица 35.
Летальные для эмбрионов омуля концентрации кислорода
(А. И. Мещерякова, Ж. А. Черняев, 1963)
лер, 1932, 1939; Олифан, 1939; Привольнев, 1939; Коржуев, 1941; Трифонова и др.,
1948; Шаронов, 1957; Коржуев и др., 1960; Мещерякова, Черняев, 1963; Лукина, 1973;
Черняев, 1982; Iway, Hughes, 1977; цит. по Hughes, 1960). Согласно другой концепции,
особенности развития дыхательной функции никак не сказываются на динамике потре-
бления кислорода в раннем онтогенезе (Phillips, 1940; Hayes et al.,1951; Нейфах, 1960;
Никольская, 1965).
Исследование динамики потребления кислорода в эмбрионально-личиночном разви-
тии сиговых рыб на примере белорыбицы в сравнении с семгой, форелью, пинагором
и треской (Строганов, 1987) показало, что скорость потребления кислорода у всех ис-
следованных и морских, и пресноводных видов возрастает по мере развития зародыша.
Исходя из данных о росте белковой массы тела эмбрионов семги, форели, белорыбицы,
пинагора и трески, выявлено наличие корреляционной связи между процессами роста
и дыхания (r = 0,851–0,999; Р<0,05). На ранних этапах развития скорость потребления
кислорода у представителей литофильной группы рыб, к которым относятся, лососевые
и сиговые рыбы, изменяется очень слабо. Начиная с этапа органогенеза, потребление
кислорода постепенно увеличивается, достигнув определенного уровня, стабилизируется
(выходит на «плато») или даже может немного снижаться, а затем, на этапах развития
дыхательной системы желточного мешка, растет вплоть до вылупления зародыша из обо-
лочки (рис. 75).
Начало выхода на «плато» совпадает с приобретением кровью красной окраски ге-
моглобином (Игнатьева, 1975). К этому моменту завершается размножение клеток крови,
их количество устанавливается на определенном уровне, снижается интенсивность син-
теза гемоглобина, значительная часть клеток представлена нормобластами и полихрома-
тофильными эритроцитами, имеющими, помимо большого ядра, довольно широкий слой
цитоплазмы с гемоглобином в ней (Вернидуб, 1966; Wilt, 1967).
Рис. 74. Потребление кислорода и рост белковой массы тела во время эмбриогенеза белорыбицы:
- - - - - белковая масса тела в мг на 100 икринок (БМТ)
–––– потребление кислорода в мг на 100 экз. за 1 час (ПК)
206
Увеличение количества клеток крови (и особенно накопление гемоглобина в них 5)
расширяет возможности эмбриона в получении необходимого количества кислорода,
однако, с другой стороны, процессы дифференцировки клеток крови и синтеза в них
гемоглобина должны сопровождаться значительными энергозатратами и повышением
уровня дыхания. Помимо этого, параллельно отмечается значительное увеличение массы
тела эмбриона (Зайцева, 1985). Далее при снижении темпа размножения клеток и интен-
сивности синтеза гемоглобина наблюдается снижение его уровня, что, вероятно, и яв-
ляется одной из причин образования «плато» на графике и некоторого снижения потре-
бления кислорода. Дальнейшее повышение скорости дыхания до вылупления является
результатом увеличения потребления кислорода растущим эмбрионом и сопровождается
учащением пульсации сердца, ускорением частоты взмахов грудных плавников, увеличе-
нием подвижности тела и включением в газообмен жаберного аппарата. У белорыбицы
и омуля «плато» выражено очень слабо, что связано, на наш взгляд, с заблаговременным
накоплением форменных элементов крови в кроветворном мешочке, а затем вбросом их
в кровяное русло в момент образования желточной сети кровообращения (Черняев, 1964).
Интересно отметить, что А. Н. Строганов (1987), исследуя представителей литофиль-
ной группы рыб с хорошо развитой системой механизмов, облегчающих транспорт кис-
лорода к тканям (моторика различных типов), не обнаружил изменений в потреблении
кислорода, связанных с развитием какой-либо из моторик, что можно объяснить посте-
пенной преемственностью развития этих механизмов (Резниченко, 1983; Klinkhardt et а1.,
1987) и перекрыванием их во времени (рис. 76).
Суммарное количество кислорода, потребляемое за период развития от оплодотворе-
ния до резорбции желточного мешка, находится в зависимости от размеров зародышей
и продолжительности развития за счет эндогенных ресурсов. Так, наибольшее количе-
ство O2 потреблено сёмгой, наименьшее треской. Представительница сиговых рыб — бе-
5) Кислородная ёмкость крови взрослой рыбы, состоящей из зрелых эритроцитов в 30 раз выше
кислородной емкости плазмы крови (Коржуев, 1964, Штрауб, 1965)
Рис. 75. Потребление кислорода и выделение углекислого газа в процессе развития икры омуля по
месяцам (в мг/л на 1000 зародышей/ час), по А. И. Мещеряковой и Ж. А. Черняеву (1963)
207
лорыбица занимала промежуточное положение, за счёт, на наш взгляд, личиночного пути
развития (как и у трески) после вылупления из оболочки (табл. 36).
У литофилов, таких как белорыбица и омуль, на фоне подъема потребления кислоро-
да, обусловленного увеличением общих энергозатрат развивающимся зародышем, могут
быть определены энергозатраты, связанные с развитием провизорных органов дыхания.
В частности, увеличение количества клеток крови, их дифференцировка и синтез ге-
моглобина сопровождаются временным увеличением скорости дыхания (например, псев-
добранхия). Резорбция желтка, сокращение его поверхности приводят к снижению ско-
рости потребления О2 несмотря на увеличении массы тела эмбриона (Куфтина и др.,1984;
Куфтина, Новиков,1982; Новиков, Строганов, 1986).