Автор неизвестен - Экологическая биохимия - страница 1

Страницы:
1  2  3 

_1L

ГЛАВА

Экологическая биохимия

Систематическое изучение биохимических пара­метров обитателей моря было начато на Одесской био­логической станции (ныне ОФ ИнБЮМ) в лаборато­рии экологической биохимии морских организмов под руководством д-ра биол. наук, проф. З.А. Виноградо­вой (1955—1972) и продолжается по настоящее время.

В 1950—1960-е годы изучался главным образом био­химический состав тотального планктона Черного мо­ря для определения его кормовой ценности в сезонном и географическом аспектах с учетом суточной и мно­голетней изменчивости планктона (Биология моря, 1971). В дальнейшем перешли к исследованию его от­дельных массовых видов (Биология моря, 1973).

Начиная с 1973 г. основное внимание направлено на изучение биохимических параметров донных беспо­звоночных и их адаптации к условиям существования. Кроме того, исследовались белки и нуклеиновые кис­лоты морской воды и донных отложений.

Условия среды в СЗЧМ за последние десятилетия значительно изменились и отличаются от тех, что счи­тались нормой в 1950—1960-е годы. Это существенно отразилось на биохимическом составе гидробионтов, что и послужило мотивом для исследования влияния антропогенных факторов на живой организм. Изучали также многолетние, сезонные, возрастные изменения содержания биохимических компонентов у моллюсков, в основном мидии как наиболее массового вида СЗЧМ, в зависимости от пола и фенотипа, распределение био­химических компонентов в органах и тканях моллю­сков с целью определения их функциональной роли. Кроме того, исследовали ракообразных, червей, ки­шечнополостных, а также донные отложения и среду обитания — морскую воду.

За полувековой период существования лаборатории биохимические исследования охватили почти все звеньятрофических цепей в море. Показано, что морские организмы активно реа­гируют на изменение внешней среды перестройкой химического состава и биохимических механизмов. Это позволило разработать систему биохими­ческой индикации — основу пространственно-временного мониторинга состояния отдельных видов гидробионтов, популяций, биоценозов и эко­системы в целом в изменяющихся условиях среды (Кандюк и др., 1981; Ли-совская и др., 1996). Результаты исследований важны также в решении про­блем сравнительной и эволюционной биохимии, биопродуктивности Ми­рового океана и получения лечебных и лечебно-профилактических препа­ратов из морепродуктов.

Изучены все основные биохимические соединения — стерины, кароти-ноиды, липиды, гликоген в морских организмах, а также белок и нуклеи­новые кислоты в морской воде и донных отложениях, что представлено соответствующими подразделами главы.

1.1. Стерины беспозвоночных

Одной из важных составляющих химического состава гидробионтов яв­ляются стерины — биологически активные вещества, интенсивное изуче­ние которых проводилось с конца 1950-х годов и до начала нынешнего столе­тия. Объектом исследования служил вначале тотальный планктон, затем его отдельные массовые виды, после чего основное внимание было направле­но на изучение данного компонента у крупных беспозвоночных — моллю­сков, ракообразных и червей.

Планктон служит кормом многим планктоноядным рыбам. Представля­ло определенный практический интерес изучение провитаминной ценно­сти отдельных массовых видов морского зоопланктона. Было установлено, что стерины у них, за некоторым исключением, представлены преимуще­ственно холестерином, количество которого иногда в 5—48 раз превышает количество провитаминов Д3 (Виноградова, Кандюк, 1967). Это дало осно­вание предположить, что холестерин, содержащийся в значительном коли­честве в отдельных видах зоопланктона, служит основным промежуточным соединением, из которого синтезируется 7-дегидрохолестерин в теле круп­ных донных беспозвоночных, питающихся планктоном.

Исследования зарубежных ученых установили, что в средиземномор­ском сетном планктоне, на 80—98 % состоящем из Copepoda, преобладает холестерин (Baron, Boutry, 1963). И лишь у Pontella mediterranea содержание провитаминов Д3 приближается к содержанию холестерина. Как известно, в отличие от остальных Copepoda, P. mediterranea обитает на границе гид­росферы и атмосферы в специфическом слое нейстали, и для нее, по-ви­димому, характерны иные механизмы участия этих биологически активных веществ в обменных процессах (Виноградова, Кандюк, 1967).

Моллюски. Содержание стеринов в теле черноморских моллюсков изуча­ли многие авторы (Вендт и др., 1950; Виноградова, Вендт, 1959; Коробкина и др., 1965; Виноградова, Кандюк, 1967; Кандюк, Шевченко, 1971; Кан-

дюк, 1979, 1987, 2002).

Исследования, проведенные в 1950—1960-е годы, показали важность и целесообразность изучения локализации этих соединений в морских орга­низмах, однако результаты оказались недостаточными, разрозненными и не давали ответа на многие актуальные проблемы современности.

Главная задача настоящей работы обобщение данных о наличии, ка­чественном и количественном составе стеринов у беспозвоночных СЗЧМ, изучение влияния биотических и абиотических факторов, формирующих условия обитания гидробионтов, на содержание стеринов в теле беспозвоноч­ных, а также выделение этих биологически активных веществ в кристалличе­ском виде с целью получения лечебно-профилактических препаратов.

Понимая важность проблемы, мы изучали динамику содержания сте-ринов у черноморских моллюсков, ракообразных и червей, обитающих в различных экологических условиях. В 1973 г. сотрудники ОФ ИнБЮМ впервые обнаружили в СЗЧМ районы массовых заморов мидий (Зайцев, 1977; Сальский, 1977). Содержание кислорода у дна приближалось к нулю, и концентрация стеринов у мидий была значительно ниже, чем в районах, где водные массы насыщены кислородом от поверхности до дна — 1,2 и 3,01 % неомыляемой фракции соответственно.

Эвтрофирование СЗЧМ резко увеличилось в 1980-е годы вследствие хо­зяйственной деятельности человека, что отразилось на физиологическом со­стоянии моллюсков и биохимических процессах, протекающих в них. Сум­марное содержание стеринов в мидиях составляло 2,87—4,09 % неомыляемой фракции. В 1990-е годы в результате спада производства снизился антропо­генный пресс на водоем, и количество стеринов у моллюсков возросло до 3,27-5,58 %.

Двустворчатые моллюски, которые содержат значительное количество стеринов подчас необычного строения и биологического действия, пред­ставляют большой интерес среди промысловых беспозвоночных СЗЧМ. Пальму первенства в исследованиях мы отдали мидии Mytilus galloprovin-cialis, которая наиболее распространена в этом регионе и как биофильтра-тор играет важную роль в очищении водоема. Кроме того, мидия обладает высокими пищевыми качествами, содержит биологически активные веще­ства и может использоваться как в пищевых целях, так и для приготовле­ния лечебных и лечебно-профилактических препаратов (Вендт, 1953а; Ко-робкина, Данилова, 1965; Бабушкина, Бабенко, 1979; Кандюк, 2002).

Для определения функциональной роли стеринов изучали их распреде­ление и накопление в теле и органах черноморских моллюсков — главным образом мидии, а также мии и устрицы. Содержание неомыляемых веществ в органах мидии варьировало от 0,14 до 0,81 %, причем больше всего их за­фиксировано в гепатопанкреасе и жабрах. Максимальная концентрация стеринов также отмечена в этих органах. Количество стеринов в гонадах зависит от стадии развития моллюска.

Суммарное содержание провитаминов Д3 в гепатопанкреасе мидий со­ставило 0,0047—0,0073, в жабрах — 0,0015—0,0382 % сырой массы. Кон­центрация 7-дегидрохолестерина колебалась в диапазоне 0,0043—0,0068 и 0,0029-0,0248 %, метостенола - 0,0044-0,0074 и 0,0010-0,0351, холесте­рина — 0,0197—0,0373 и 0,0100—0,1430 % соответственно. Минимальное количество стеринов обнаружено в замыкательной мышце и мантии мидии.

Большая вариабельность содержания стеринов в жабрах моллюска связана с концентрацией кислорода в водоеме. Известно, что стерины, так же, как и кофермент Q и ненасыщенные жирные кислоты, синтезируются только при хорошей аэрации. Значительное количество стеринов в жабрах моллю­ска свидетельствует об участии их в дыхательном процессе (Bloomfield, Bloch, 1958, 1960; Bergmann, 1962). Окислительные процессы у моллюсков происходят главным образом в гепатопанкреасе, что может указывать на локализацию в нем центра ферментативных превращений стеринов (Bal-lantine et al., 1980).

Мия Муа arenaria и скафарка Scapharca inaequivalvis вселенцы, рас­пространившиеся по морскому побережью в 1970—1980-е годы, — несколько беднее стеринами, а устрицы, напротив, отличаются более высокой их кон­центрацией. Распределение стеринов в органах и тканях этих моллюсков аналогично таковому у мидий.

Концентрация стеринов у моллюсков тесно связана с их физиологиче­ским состоянием. Так, в период активного гаметогенеза содержание стери-нов в гонадах самок мидий снижается, а 7-дегидрохолестерин вообще не обнаруживается, так как уже израсходован на репродуктивные цели. Варь­ирует количество стеринов у моллюсков и в зависимости от сезона года: наибольшие концентрации отмечены осенью, весной они несколько ниже, но превышают зимние показатели. Существенное значение для концентра­ции этих соединений в теле моллюсков имеет как размер, так и возраст гидробионта. По мере роста содержание стеринов у мидий увеличивается, но до определенного размера, после чего происходит снижение их концен­трации. Максимальное количество провитаминов Д3 обнаружено у мидий размерами 4—5 и 5—6 см, когда, по-видимому, происходит наибольшее отло­жение кальция в раковине моллюска. Его дальнейший рост сопровождается менее интенсивным отложением кальция, и содержание стеринов у моллю­сков размером 6—7 см и более снижается. При определении этих биологиче­ски активных веществ у мидий, которые относятся к фенотипам А и В, не обнаружено четкой зависимости их содержания от фенотипа.

Ракообразные. Из многочисленных членистоногих большой интерес пред­ставляют некоторые виды этого класса как потенциальный источник про­витаминов Д3 и пища для многих видов рыб. Исследовали представителей 2 подклассов — низкоорганизованных (жаброногие Branchiopoda) и выс­ших ракообразных Malacostraca (отряды равноногих Isopoda, разноногих Amphipoda и десятиногих раков Decapoda). Изучали прибрежные районы Одесского залива, Куяльницкий и Хаджибейский лиманы.

Среди жаброногих широко распространена артемия Artemia salina — массовый представитель сильно осолоненных материковых водоемов и при­морских лиманов. В Черноморском бассейне она обитает в Куяльницком лимане. Сведения о биохимическом составе артемии из этого лимана весь­ма ограничены (Kandiuk et al., 1987). Этот вид хорошо развивается в искус­ственных условиях и является перспективным кормовым объектом массо­вого размножения в управляемых хозяйствах полу- и полноцикличного ти­па. Изучение стеринов у артемии представляло определенный практиче­ский интерес.

Показано, что у A. salina отсутствует 7-дегидрохолестерин типично животный провитамин Д3. Найдены холестерин, метостенол и быстродей­ствующие стерины (суммарно) соответственно 9,96, 0,85 и 0,77 % не-омыляемого остатка. Известно, что артемия питается микроскопической водорослью Dunaliella (Ивлева, 1969). Отсутствие 7-дегидрохолестерина у артемии позволяет сделать вывод о наличии у нее стеринов экзогенного происхождения, в данном случае растительного, что требует еще дальней­шего исследования.

Тешима Шин-Ичи (Teshima Shin-Ichi, 1971) изучал возможность пре­вращения экзогенных (3-ситостерина и 24-метилхолестерина в холестерин у A. salina. Доказана способность артемии превращать эргостерин в холестерин. З.А. Виноградова (1958) определяла у A. salina из оз. Сиваш количество органических веществ (65 %), жира (6,35 %), белка (39,21 %), углеводов (19,07 %) и золы (35,37 %) и доказала высокую калорийность данного рачка.

Из отряда равноногих раков в прибрежной полосе Одесского залива широко распространены Idotea baltica и Sphaeromapulchellum. При изучении содержания стеринов у представителей равноногих и разноногих раков оказалось, что амфипода (смесь видов) беднее стеринами по сравнению с представителем изопода — идотеей, провитаминная ценность которой в различных исследованных районах также неравнозначна. Из двух видов изопода — идотеи и сферомы — последняя содержит меньше стеринов. У представителей этих отрядов, питающихся в основном детритом и водо­рослями, так же, как и у артемии, не обнаружен 7-дегидрохолестерин, от­сутствие которого компенсируется, по-видимому, наличием других стери-нов, что требует еще дальнейшего исследования (Кандюк и др., 1977).

Из отряда десятиногих раков Decapoda в морях и океанах наиболее час­то встречается известная под разными местными названиями креветка. В последние годы улов креветок значительно сократился и не может удовле­творить нужды народного хозяйства, поэтому их искусственное выращива­ние представляет большой практический интерес.

В Черном море обитает 3 вида креветок: травяная креветка Palaemon adspersus, каменистая креветка P. elegans и шримс обыкновенный Crangon crangon. Размеры их разнообразны, максимальные достигают 50—80 мм.

P. adspersus широко распространен в СЗЧМ и прилегающих лиманах, обитает в мелководных участках среди зарослей морской травы зостеры и рупии. Мы совместно с сотрудниками Института биохимии НАН Украины исследовали содержание стеринов у этого вида креветок. Методом тонко­слойной хроматографии из неомыляемого остатка P. adspersus было выде­лено 5 веществ с Rf 0,21, 0,32, 0,4, 0,5 и 0,69. Для их полной идентификации провели исследования на основе спектроскопии в ультрафиолетовой и ин­фракрасной областях спектра, газожидкостной хроматографии и химиче­ской реакции Либермана—Бурхарда.

При изучении ультрафиолетового спектра было установлено, что ве­щество с Rf 0,21 имеет максимумы поглощения, характерные для 7-де-гидрохолестерина. Инфракрасные спектры этого соединения и кристалли­ческого 7-дегидрохолестерина полностью совпадают как по частотному по­ложению полос, так и по форме .и интенсивности полос поглощения. Ве­щество с Rf 0,32 идентифицировано как десмостерин, с Rf 0,5 — как холе­стерин. Соединение с Rf 0,4 имеет сопряженную двойную С=С-систему в структуре молекулы. Вещество с Rf 0,69 не идентифицировано (Паламар­чук, Кандюк и др., 1978).

Перспективным видом для искусственного разведения является также японская креветка Penaeus japonicus, достигающая товарных размеров за короткое время. Попытки акклиматизации в Черном море шримса Pandalus kessler (Сальский, 1964) не были продолжены. А. Каназава и соавт. (Капа-zawa et al., 1976) исследовали содержание холестерина и липидов в тканях P. japonicus на разных стадиях линьки. Наибольшее количество холестерина обнаружено в тканях глазного стебелька, а также в гиподерме. В процессе линьки его количество варьирует и максимально между линьками.

Ближе всего к креветкам в филогенетическом отношении стоит массо­вый вид планктона — черноглазка Euphausia superba Dana — основной и почти единственный объект питания усатых китов, а также других животных Антарктики (Сальников, 1953). По биологии черноглазки накоплен большой материал, тогда как о биохимическом составе данные ограничены. У черно­глазок так же, как и у креветок, преобладает холестерин, однако относи­тельное его содержание вдвое меньше, а провитаминов Д3 даже больше. Кроме того, она содержит десмостерин (Виноградова, Вендт, 1959).

Черви. В этой группе стерины исследовали у представителя полихетNereis diversicolor, который широко распространен в прибрежных районах Черного и Азовского морей и входит в состав пищи многих донных рыб. Нереис, как и представители ракообразных и моллюсков, также содержит определенное количество стеринов.

Таким образом, исследования, проведенные на протяжении более 30 лет, и литературные данные свидетельствуют о значительном содержании про­витаминов Д3 и холестерина в изученных гидробионтах — моллюсках (ми­дия, устрица, мия и скафарка), ракообразных (артемия, идотея, сферома, креветка, черноглазка) и червях (нереис), которые могут служить объекта­ми марикультуры (а низшие ракообразные — пищей для многих гидробио-нтов в условиях марикультуры), а также источником биологически актив­ных веществ для получения лечебных (видеин, видехол, витамин Д3) и ле­чебно-профилактических препаратов широкого профиля.

1.2. Каротиноиды беспозвоночных

К одним из важных биохимических показателей состояния организмов в окружающей среде относится содержание биологически активных ве­ществ — каротиноидов — наиболее распространенной в живой природе группы пигментов. Они являются составной частью клеток микроорганиз­мов, низших и высших растений, а также животных и человека (Гудвин, 1954; Карнаухов, 1988). Более 100 лет каротиноидные пигменты служат объектом разносторонних исследований.

В экологической биохимии морских организмов изменение концентра­ции этих пигментов в гидробионтах рассматривают как один из молеку­лярных механизмов адаптации организма к действию негативных факторов окружающей среды. Под влиянием этих факторов в среде обитания мор­ских беспозвоночных содержание кислорода часто снижается. В этом слу­

Глава   I.   Экологическая биохимия

чае у гидробионтов (двустворчатых моллюсков) нарушается дыхание, раз­вивается внутритканевая гипоксия, и митохондрии не могут в полной мере выполнять свои функции по энергообеспечению клеток. Часть этих функ­ций берут на себя каротиноиды, которые способны связывать кислород за счет системы сопряженных двойных связей, и его дефицит может быть по­крыт за счет кислорода, изымаемого из системы депонирования. При бла­гоприятных условиях запасы кислорода в системе внутриклеточного «депо» могут быть вновь восстановлены (Карнаухов, 1988). Именно этот механизм является одним из путей повышения устойчивости организмов в условиях гипоксии. У видов, устойчивых к неблагоприятным факторам среды оби­тания, например у мидий, при адаптации концентрация пигментов в орга­нах и тканях значительно повышается, а у менее устойчивых их содержа­ние заметно снижается (Анцупова, Василенко, 1981; Лукьяненко, 1992). Участие каротиноидов в окислительном метаболизме клеток животныходна из многих биологических функций этих пигментов. Каротиноиды иг­рают важную роль в процессах размножения, роста и развития живых ор­ганизмов, поэтому их изучение имеет не только теоретическое, но и прак­тическое значение.

Содержание каротиноидных пигментов определяли спектрофотометри-ческим методом (Карнаухов, Федоров, 1982). Объектами исследований бы­ли черноморские моллюски мидия Mytilus galloprovincialis L. с длиной раковины от 0,5 до 10,0 см, мия Муа arenaria L. — 0,5—11,0, устрица Ostrea edulis — 0,5—6,0, скафарка Scapharca inaequivalvis (Cunearca cornea) — 0,1 — 4,0, кардиум Cerastoderma glaucum — 0,5—3,0 и фазеолина Modiolus phaseolinus — 0,5 см. Интенсивность окрашивания различных видов мол­люсков неодинакова. Наибольшее количество каротиноидных пигментов характерно для мидий. Оно варьирует в широком диапазоне от 1,0 до 16,0 мг в 100 г сырой массы и зависит от многих факторов, как биоти­ческих, так и абиотических. У других представителей двустворчатых мол­люсков количество каротиноидов было значительно ниже: у скафарки, кардиума и фазеолины оно не превышало 2,0 мг в 100 г, мии и устрицы отличались еще более слабой пигментацией.

У моллюсков, обитающих в различных экологических условиях, таких как море, лиманы, заливы и приустьевые районы, интенсивность кароти-ноидной пигментации различна. Особенно четко это проявляется на при­мере мидии из приустьевых акваторий Днестра, Днепра и Дуная, где со­держание пигментов в 1,5—2 раза выше такового в более чистых районах. У мии и устрицы наблюдается обратная зависимость: в относительно чис­тых районах количество каротиноидов увеличивается, в неблагоприятных — снижается. У более устойчивых видов при адаптации в загрязненных аква­ториях происходит повышение концентрации пигментов, у менее устойчи­вых, напротив, отмечается ее понижение.

Наблюдения в течение 40 лет позволили сделать вывод о том, что содер­жание каротиноидов в моллюсках зависит от степени воздействия на них ан­тропогенной нагрузки. Так, в 1970-х годах содержание этих пигментов у ми­дий находилось на уровне 1,0—6,0 мг в 100 г. К концу 1980-х годов в резуль­тате хозяйственной деятельности человека эвтрофирование северо-западного шельфа резко увеличилось. Ухудшение условий среды обитания негативносказалось на физиологических и биохимических процессах, протекающих в гидробионтах. Вследствие этого содержание каротиноидов в мидиях заметно возросло и варьировало от 3,0 до 16,0 мг в 100 г. В 1990-х годах в результате снижения производства и уменьшения антропогенного пресса на морские экосистемы этот показатель заметно снизился и составлял 1,0—8,0 мг в 100 г.

Сезонная динамика содержания каротиноидных пигментов мидий за­висит от климатических условий и физиологического состояния моллю­сков: наибольшее их количество отмечается весной. Этому периоду соот­ветствуют также максимальные колебания содержания пигментов, так как перед нерестом происходит перераспределение каротиноидов из органов и тканей мидий в гонады, что свидетельствует о важном функциональном значении пигментов в процессах размножения. На основании исследова­ний Г.И. Соин (1967) и А.А. Яржомбек (1970) высказали предположение об участии каротиноидов в дыхательной функции лососевых рыб: чем хуже условия для развития икры, тем больше в ней накапливается пигментов.

Возрастные изменения каротиноидных пигментов изучали на примере наиболее массового моллюска Черного моря мидии с длиной раковины от 0,5 до 8,0 см. В процессе роста мидии концентрация пигментов сущест­венно изменялась. Наибольшее количество каротиноидов (до 16,0 мг в 100 г) зафиксировано у молодых особей с длиной раковины менее 1,0 см. По мере роста моллюска содержание этих биологически активных соеди­нений снижалось в 1,5—2 раза. Молодые особи в большей степени, чем взрослые, подвержены влиянию окружающей среды. Благодаря высокому количеству каротиноидов молодые мидии способны выживать в условиях высокого антропогенного загрязнения. В этом случае пигменты выполняют защитные функции, связанные с приспособительной реакцией организма, которая направлена на максимальную выживаемость потомства. В процес­се старения моллюсков содержание каротиноидов вновь повышается до 9,0 мг в 100 г. Накопление каротиноидов с возрастом представляет собой процесс адаптации тканей стареющих организмов к прогрессирующей внутритканевой гипоксии (Карнаухов, 1988).

При изучении пигментов у различных ракообразных установлена их за­висимость от видовой принадлежности. Из отряда Isopoda исследованы Idotea baltica hasten и Sphaeroma pulchellum. Содержание каротиноидов в морских идотеях достигает 8,0 мг в 100 г, тогда как в лиманных особях их количество не превышает 4,0 мг в 100 г. Другой представитель изопод — сферома — отличается слабой пигментацией (не более 1,0 мг в 100 г).

Из отряда Arnphipoda исследованы бокоплавы Marinogammarus olivii, обитающие в различных экологических условиях. У морских особей содер­жание каротиноидов находилось на уровне 2,0 мг в 100 г, тогда как у ли­манных в 1,5—2 раза ниже. Отряд Decapoda был представлен креветками Palaemon adspersus. В мягких тканях как морских, так и лиманных особей этот показатель невысокий — до 1,0 мг в 100 г. Основное количество пиг­ментов выявлено в панцирях и глазах креветок, из них до 80 % приходи­лось на долю астаксантина.

Страницы:
1  2  3 


Похожие статьи

Автор неизвестен - 13 самых важных уроков библии

Автор неизвестен - Беседы на книгу бытие

Автор неизвестен - Беседы на шестоднев

Автор неизвестен - Богословие

Автор неизвестен - Божественность христа