Circadian rhythms and locomotor activity of smolts of the european river lamprey lampetra fluviatilis (l.)

Full Text

Один из механизмов покатной миграции смолтов речной миноги Lampetra fluviatilis — изменение двигательной активности (ДА) в течение суток. Двигательная активность при дневной освещённости низка, что соответствует отсутствию дневного ската в реках, а при ночной освещённости максимальна: смолты выходят в русловой поток и массово скатываются. Динамике ската смолтов в реке соответствуют ДА смолтов в аквариуме (содержание при чередовании свет/темнота (С/Т), 12 ч/12 ч) и результаты экспериментов в тесте “открытое поле”. Днём при освещении смолты неактивны, а начинают плавать после выключения света вечером [1].

Освещённость — не единственный фактор, определяющий динамику ДА. В экспериментах “открытое поле”, выполненных в дневное время, но при искусственной ночной освещённости, смолты проявляли минимальный уровень ДА. Эти данные позволили предположить наличие у смолтов циркадных ритмов, регулирующих поведение во время ската [1].

Циркадные ритмы обнаружены у многих рыб, и показана их связь с фазой онтогенеза, питанием, размножением, миграциями [4, 6, 7]. Также подтверждено наличие циркадных ритмов и у миног, например у тихоокеанской Lethenteron camtschaticum [5] и морской миноги Petromyzon marinus [3]. Однако подобные данные немногочисленны, и они не позволяют связать внутренние ритмы особей с их поведением, в частности миграционным.

Цель настоящей работы — установить наличие циркадного ритма ДА у смолтов речной миноги в период покатной миграции и изучить особенности его проявления.

Работа выполнена в апреле–мае 2017 и 2018 гг. Смолтов отлавливали на р. Чёрная, впадающей в Финский залив, во время их ската из реки в море. Отлов проводили по стандартной методике с модификациями [2]. Эксперименты по изучению циркадных ритмов выполняли в светоизолированной лаборатории ИПЭЭ РАН. Наблюдения в темноте проводили с помощью прибора ночного видения Yukon Tracker (“Yukon Advanced Optics Worldwide”, Литва).

На первом этапе исследования смолтов три недели содержали в общем аквариуме (V = 160 л) при плотности посадки относительно дна 1 экз./дм2. Режим освещения — чередование искусственных С/Т 12 ч/12 ч [8]. При отработке методики в 2017 г. свет выключали в 16:00–19:00. В 2018 г. использовали следующее расписание чередования С/Т: 07:00–19:00 и 19:00–07:00. Уровень освещённости днём составлял 80 лк (в естественных условиях в это время смолты прячутся в укрытиях), ночью — сотые доли лк. Условия содержания смолтов и их поведение в аквариуме соответствовали [1]. Каждый час подсчитывали число плавающих особей.

На втором этапе для изучения циркадных ритмов смолтов отлавливали ночью из общего аквариума и рассаживали по 13–23 особи в отдельные аквариумы, плотность посадки сохраняли. На следующий день в 19:00 свет выключали на 3 сут. Адаптация смолтов к темноте длилась первые 2 сут, в это время наблюдения за их поведением проводили 4 раза в сут. Эксперимент начинали на третьи сутки темноты, в течение которых каждый час подсчитывали количество плавающих особей. Одной повторностью эксперимента считали наблюдения за одной группой смолтов в отдельном аквариуме в течение 3 сут темноты. Параллельно было выполнено 6 повторностей. Всего исследовали 109 смолтов. Длина тела смолтов составила 117,87 ± 14,02 мм, масса 2,03 ± 0,81 г.

Для статистического анализа результатов использовали критерий t Стьюдента для связанных выборок и двухфакторный дисперсионный анализ.

Первый этап. При режиме чередования С/Т 12 ч/12 ч повышение ДА смолтов начиналось после выключения света (рис. 1а). При выключении в 16:00–18:00 этот процесс протекал медленно и занимал 4–5 ч. Если свет выключали в 19:00, смолты двигались быстрее, как и было установлено нами ранее [1]. Очевидно, что слишком раннее (16:00–18:00) в сравнении с естественной средой (~21:00, < 0,1 лк) снижение освещённости вступало в противоречие с циркадными ритмами смолтов, что выражалось в низкой ДА. Однако сам факт увеличения ДА указывает на влияние освещённости на этот процесс. Окончание периода повышенной ДА главным образом происходило за 1–2 ч до включения света, отдельные особи плавали дольше (рис. 1а). Суточный ритм ДА смолтов, выявленный нами ранее [1], подтверждён в настоящей работе.

Во второй половине тёмного периода, ДА смолтов начинала снижаться: некоторые из них продолжали плавать, другие уже лежали без движения на дне. Смолтов, которые плавали дольше других, мы выделили в “активную” группу (АГ), а особей, у которых рано завершался период ДА, в “пассивную” группу (ПГ).

 

Рис. 1. Двигательная активность смолтов речной миноги Lampetra fluviatilis. а – при чередовании С/Т 12 ч/12 ч, б – в темноте. 1 – ДА смолтов в общем аквариуме, 2 – освещённость (лк), 3 – “активная” группа, 4 – “пассивная” группа.

 

Второй этап. Эксперимент по исследованию циркадных ритмов проходил на смолтах АГ и ПГ (рис. 1б). В темноте у особей обеих групп возрастание ДА начиналось после 19:00, т. е. после времени выключения света при содержании миног в режиме чередования С/Т 12 ч/12 ч. Снижение активности в аквариуме в темноте приходилось на ~05:00, незадолго до времени включения света при режиме чередования С/Т 12 ч/12 ч. Однако в темноте, когда в дальнейшем не следовало утреннее включение света, часть особей возобновляла ДА, вероятно, в поисках убежища. Наблюдения в период адаптации (1–2 сут темноты) согласуются с этими результатами.

Дисперсионный анализ показал, что ДА смолтов в темноте зависела от времени суток. Это статистически подтверждает наличие у смолтов речной миноги циркадных ритмов. Уровень ДА смолтов также зависел от принадлежности особей к АГ или ПГ: у особей АГ показатели ДА были достоверно выше. Совместного влияния двух факторов мы не обнаружили.

Двигательная активность смолтов в ночное время в общем аквариуме (первый этап) находилась на одном уровне с ДА особей АГ, тогда как активность представителей ПГ была достоверно ниже. Ранее [1] мы обнаружили, что процесс возрастания ДА в общем аквариуме после выключения света начинается с отдельных особей, которые, сталкиваясь с другими миногами, вовлекают их в общее движение. Можно предположить, что речь идёт об особях группы АГ, которые сохраняли повышенную ДА почти всю ночь. В реке они первыми будут выходить из укрытий и последними покидать русловой поток. А смолты ПГ — особи с менее выраженными циркадными ритмами — будут первыми заканчивать мигрировать ночью. Причины разделения смолтов на две группы и их различия на физиолого-биохимическом уровне — вопрос дальнейших исследований.

В настоящем исследовании циркадные ритмы смолтов были настроены на искусственный режим чередования С/Т 12 ч/12 ч. На это указывает динамика ДА особей в темноте. В естественных условиях в апреле режим чередования С/Т составляет ~17 ч/7 ч (освещённость ниже 0,1 лк, при которой смолты мигрируют, длится ~7 ч).

Несмотря на различия в искусственном и естественном режимах чередования С/Т, циркадный ритм ДА, изученный в лаборатории, имеет черты, которые можно сравнить с особенностями миграционного поведения смолтов в реке. Для увеличения ДА падение освещённости является необходимым условием. В естественных и лабораторных условиях ДА смолтов увеличивается при снижении освещения до уровня, соответствующего ночному (< 0,1 лк) [1, 2]. В темноте ДА начинает расти только после времени выключения света при содержании в режиме чередования С/Т 12 ч/12 ч.

Снижаться ДА начинает, напротив, независимо от изменения освещённости. И при режиме чередования С/Т 12 ч/12 ч в темноте активность прекращается в среднем за 2 ч до времени включения света (для условий темноты речь идёт о включении света при предварительном содержании). В данном случае изменение уровня ДА происходило под действием внутренних причин — циркадных ритмов особей. Ранее [1] мы отмечали, что в естественных условиях это позволяет смолтам покидать русловой поток до того, как в утренние сумерки активизируются хищники.

Характерно, что окончание ската в реке и снижение ДА смолтов в условиях искусственной темноты происходило почти в одно время — около 04:00 и 05:00 соответственно. Трёхнедельное содержание смолтов при искусственном режиме чередования С/Т мало изменило циркадный ритм ДА в той его части, которая ответственна за покидание руслового потока особями до утренних сумерек. Учитывая, что покатная миграция продолжительна (отмечена с марта по май [2]), устойчивость циркадного ритма указывает на его важность для регулирования миграционного поведения смолтов.

Таким образом, в настоящей работе доказано наличие циркадных ритмов ДА. Выделены две группы смолтов, различающиеся по уровню ДА. Показано, что для представителей обеих групп первостепенную роль для начала миграции играет изменение освещённости, а для её завершения — циркадный ритм смолтов.

Авторы благодарят В.В. Костина за помощь на всех этапах выполнения работы.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ 14–14–01171-П.

About the authors

A. O. Zvezdin

Severtsov Institute of Ecology and Evolution of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: a.o.zvezdin@gmail.com

Academician of the RAS

Russian Federation, 33, Leninsky prospekt, Moscow, 119071

D. S. Pavlov

Severtsov Institute of Ecology and Evolution of the Russian Academy of Sciences

Email: a.o.zvezdin@gmail.com
Russian Federation, 33, Leninsky prospekt, Moscow, 119071

A. V. Kucheryavyy

Severtsov Institute of Ecology and Evolution of the Russian Academy of Sciences

Email: a.o.zvezdin@gmail.com
Russian Federation, 33, Leninsky prospekt, Moscow, 119071

I. A. Tsimbalov

Severtsov Institute of Ecology and Evolution of the Russian Academy of Sciences

Email: a.o.zvezdin@gmail.com
Russian Federation, 33, Leninsky prospekt, Moscow, 119071

References

Supplementary files