Экспериментальная оценка температурного оптимума у молоди пресноводных видов рыб методом термопреферендума

Поведение является важной формой жизнедеятельности животных, обеспечивающей им возможность быстро реагировать на изменения среды. В процессе прохождения сезонных и жизненных циклов гидробионты постоянно сталкиваются с градиентом абиотических и биотических факторов водной среды. Сезонные термоклины в глубоководных водоемах, весенний прогрев и осеннее охлаждение воды, аномальное повышение температуры в летний сезон года, сброс подогретых вод ГРЭС, АЭС и крупных про- мышленных предприятий – только краткий перечень существующих термоградиентных условий. В естественных или экспериментальных условиях при наличии градиента температуры рыбы обычно не остаются в тех условиях, в которых они обитали или содержались в лаборатории предварительно. Наблюдения показали, что особи разных видов рыб проявляют в таком случае реакцию, которую зарубежные исследователи назвали «thermopreferendum» [17; 18; 24], а отечественные – «избиранием температуры» [7].

Исследования проводились в 1974– 2012 гг. на 21 виде пресноводных рыб, относящихся к 9 семействам: Acipenseridae (сибирский осетр Acipenser baerii ), Salmonidae (радужная форель Parasalmo ( Oncorhynchus ) mykiss ), Coregonidae (пелядь Coregonus peled ), Esocidae (обыкновенная щука Esox lucius ), Cyprinidae (синец Abramis ballerus ; лещ Abramis brama ; уклейка Alburnus alburnus ; густера Blicca bjo-erkna ; серебряный карась Carassius auratus gibelio ; золотой, или обыкновенный, карась Carassius carassius , сазан или обыкновенный карп Cyprinus carpio , пескарь Gobio gobio ; язь Leuciscus idus ; обыкновенный гольян Phoxinus phoxinus ; плотва Rutilus rutilus ), Cobitidae (вьюн Misgurnus fossilis ), Lotidae (налим Lota lota ), Percidae (обыкновенный ерш Gymnocephalus cernuus ; речной окунь Perca fluviatilis ; обыкновенный судак Sander lucioperca ), Odontobutidae (головеш-ка-ротан Perccottus glenii ).

Большинство исследованных видов широко распространено в водоемах Северо-Запада России и отличается по образу жизни и характеру питания. Рыб отлавливали в Рыбинском водохранилище, его притоках и близлежащих водоемах или выращивали на экспериментальной прудовой базе «Суно-га» ИБВВ РАН. Отлов проводили мальковыми волокушами (25–50 м).

После отлова в течение 0,5–2,0 ч рыб доставляли в лабораторию и помещали в аквариумы объемом от 60 до 300 л с от-9

1 – компрессор, 2 – распылитель, 3 – термометр (электронный датчик), 4 – нагреватель, 5 – терморегулятор, 6 – датчик температуры, 7 – сетка-ограждение, 8 – неполные перегородки между отсеками, 9 – теплообменник, 10 – холодильный агрегат

стоянной водопроводной водой, а также регулируемой температурой и аэрацией. Всех рыб акклимировали в течение 7–14 дней к температуре, близкой к средним значениям летнего сезона (18–22 °С) и содержали в условиях естественного фотопериода при периодической смене воды. В период акклимации и во время опытов рыб кормили живым кормом (дафния, зоопланктон, олигохеты, личинки хи-рономид), рыбным фаршем, сухим кормом (дафния, рыбный комбикорм) или молодью рыб (щука).

Динамика выбора температур в градиентных условиях у разных видов рыб отличается и характеризуется в течение первых часов наблюдения разнонаправленностью. Температура, которую рыбы выбирают в течение часов или нескольких суток после предоставления термоградиентных условий, принято называть избираемыми температурами (ИТ) [3; 4; 17–19; 24].

При определении ИТ и окончательно избираемой температуры (ОИТ) использовался метод «конечного термопреферендума» [7; 11; 17; 18; 21], при котором рыбам предоставлялась возможность свободного выбора температуры в условиях термоградиента.

Относительно простая техника создания температурного градиента в горизонтальных емкостях описана в научной литературе [11]. Общая схема экспериментальной установки для определения ИТ и ОИТ приведена на рисунке.

Рисунок. Схема экспериментальной установки для определения избираемой и окончательно избираемой температуры у молоди рыб

Градиент создавали путем поддержания контрастных значений температуры на противоположных концах лотка с помощью устройств автоматического подогрева и ох- лаждения воды. Низкую температуру в холодном отсеке – с помощью холодильных агрегатов ВСЭ-1.5 и Aspera UJ9232E, высокую температуру в теплом отсеке – с по- мощью нагревательного элемента. Диапазон температуры, создаваемый в градиентной установке, составлял 15–20 °С.

Для получения равномерного горизонтального градиента температуры, уменьшения конвекционных токов и устранения вертикального градиента лотки были разделены на 10–12 отсеков неполными перегородками, образующими зигзагообразный лабиринт. Для предотвращения вертикального градиента температуры в каждом отсеке устанавливали по 2 распылителя с подачей воздуха от мощного компрессора. За счет донного расположения распылителей происходило вертикальное перемешивание воды. Это позволяло создавать плавный горизонтальный градиент температуры, составлявший 0,04– 0,13 °C/см. Общая длина всех рабочих камер в установках различного типа (для личинок, сеголетков и годовиков, неполовозрелых и взрослых особей) составляла 2,4 и 4,2 м. Температуру измеряли с помощью ртутных термометров, электротермометров, а также дистанционных датчиков температуры, расположенных в каждой камере установки. Для регистрации распределения рыб также использовали видеокамеры Panasonic SDR-H250 и Canon Legria FS306 с непрерывным или периодическим включением. Продолжительность опытов составляла 10–14 суток.

Разработанные нами установки предназначены в основном для работы с непроточной водой, однако в них предусмотрена и система эрлифт-самоочистки. Данная система создавала небольшой проток воды 1–2 л/ч и периодически включалась на 1–2 суток во время опыта либо в промежутках между опытами. Все установки размещались либо в отдельном помещении, либо в аквариальной части лаборатории, где ограждались матерчатыми загородками для предотвращения влияния различных внешних раздражителей.

Группу рыб (10 экз.) помещали в отсек установки с температурой воды, равной температуре акклимации. Распределение рыб, а также избираемая ими температура на начальном этапе выбора фиксировали 8–10 раз в светлое время суток с интервалом в 1,0–1,5 ч. За величину избираемой температуры принимали температуру в отсеке, в котором находилась каждая особь в момент снятия показаний. Данные за каждые сутки опыта суммировали и делили на число наблюдений (для 10 рыб число наблюдений за сутки составляло от 80 до 100), получая средние значения ИТ. Если в течение трех суток средние значения ИТ достоверно не различались, эту температуру принимали за значение ОИТ, характеризующее зону стабильного выбора [5]. Рыб кормили 1–2 раза в сутки, размещался корм в один или несколько отсеков, в которых на момент наблюдения находились рыбы.

В общей сложности было исследовано 612 экз. сеголеток и двухлеток 19 видов рыб, кроме того, 48 экз. трехлеток и четырехлеток пескаря и обыкновенного гольяна соответственно. Все эксперименты выполнялись в двух повторностях. Данные по ОИТ фиксировались в виде средних значений. В связи с тем, что методические разработки А. М. Свирского и В. Г. Терещенко [8], а также анализ данных [4] показали, что ошибка определения ОИТ у группы особей в горизонтальных термоградиентных установках с учетом всех методических погрешностей составляет ±1 °С, различия показателей, превышающие 1 °С, считались достоверными.

В кратковременных (2–12 ч) опытах на примере молоди карповых и окуневых видов нами было показано, что температурный выбор начинается после посадки рыб в экспериментальную установку и предоставления особям термоградиентных условий. Непродолжительный (около 0,5–1,0 ч) период ознакомления с новой обстановкой, в которую попадали рыбы, сменялся активными поисковыми движениями в более теплые и холодные отсеки градиентной установки. При летней температуре аккли-мации (18–20 °С) преобладала тенденция выбора более высоких температурных зон. Так, сеголетки леща, густеры, карпа, плотвы и речного окуня уже через час концентрировались в диапазоне t 21–23 °С, а затем особи разных видов избирали еще более высокую температуру – от 25 до 29 °С. Отмечено, что выбор температуры группой рыб происходил быстрее по сравнению с одиночными особями. Результаты этих опытов подтвердили данные о процессе начального термоизбирания, полученные ранее другими авторами [7; 13; 15]. Такая поведенческая реакция была известна для многих животных – от простейших до позвоночных [7].

В начальный период исследования поведения и распределения рыб в термоградиентных условиях опыты проводились непродолжительное время (минуты, часы). Эксперименты с большей продолжительностью были единичны [22]. Тем не менее и за это время рыбы явно обнаруживали тенденцию к передвижению в более теплые, а иногда и в холодные зоны градиента. Отмечено также, что эта реакция, меняющая распределение рыб в градиенте фактора среды, самопроизвольна и представляет собой терморегуляционное поведение («thermoregula-tory behavior» в интерпретации иностранных исследователей). Было высказано предположение, что эта зона, видимо, представляет собой область эколого-физиологического оптимума роста и питания пойкилотермных и гомойотермных животных [7].

В естественных условиях возникающие градиенты температуры могут быть или кратковременными, или продолжительными. Представляло интерес выяснить, как поведут себя рыбы в экспериментальных термоградиентных условиях в течение более длительных промежутков времени – нескольких дней, одной или двух недель. С этой целью на молоди рыб проводились опыты продолжительностью 10–14 суток. Такие данные, полученные в горизонтальных термоградиентных установках, сходных с нашими, были единичными [16; 22].

В опытах продолжительностью 10–14 суток на молоди леща, синца, серебряного и золотого карася, карпа, плотвы, окуня, ерша, сибирского осетра, пеляди и радужной форели было выявлено, что процесс термоизбирания делится на два этапа – переходный (ИТ) и стабильного выбора (ОИТ). На первом этапе значения избираемой температуры значительно варьировались, на втором этапе происходила стабилизация температурного выбора. Наиболее быстрый (уже на 2-е – 3-и сутки опыта) выход в зону ОИТ был зафиксирован у серебряного и золотого карасей, а также у головешки-ротана.

Характерно, что опыты короткой продолжительности, особенно при использо- вании набора значений акклимационной температуры и методов графической интерполяции, также позволяют рассчитывать предполагаемые зоны ОИТ с ошибкой, не превышающей 1 °C [24]. Парадигма «конечного преферендума» Ф. Е. Дж. Фрая, сформулированная канадским исследователем намного раньше многочисленных экспериментов по поведенческой терморегуляции рыб в 1960–80 гг., заключается в двойном (бипартитном) определении термина «конечный термопреферендум» [17; 18]. Согласно одному из них, ОИТ – температура, при которой температуры акклимации и избираемые равны; согласно другому, ОИТ – температура, к которой гидробионты «притягиваются» (реакция «gravitation») или которой они достигают в градиенте действия фактора независимо от их температуры акклимации (термального прошлого).

Большинство исследователей в качестве критерия зоны ОИТ выбирают значения среднесуточной ИТ за одни, двое или трое суток, в течение которых разница этих значений у рыб в процессе опыта статистически недостоверна. Такой методический подход считается верным для всех типов градиентных установок, линейных горизонтальных, вертикальных, круговых, а также установок последнего поколения двухкамерных ихти-отронов, или шаттл-боксов [21; 23]. В наших последующих длительных опытах для определения зоны ОИТ был принят 3-суточный критерий стабильного избирания температуры как у молоди, так и у взрослых особей рыб.

Данные по термоизбиранию рыб в длительных экспериментах продолжительностью 10–14 суток были получены ранее лишь для некоторых видов рыб, обитающих в пресных водах США и Канады [14; 15; 22]. Для рыб из пресных водоемов России, а также региона Верхней Волги, такие результаты отсутствовали. Для характеристики видовых особенностей распределения и поведения рыб в искусственных (экспериментальных) термоградиентных условиях представлялось целесообразным исследование термоизби-рания у молоди разных видов рыб, относящихся к различным систематическим и экологическим группам. Такие эксперименты были проведены нами на молоди (в от- дельных случаях – на более взрослых особях) 21 вида рыб из 9 семейств (таблица). Время проведения опытов – июнь-август, температура акклимации в условиях лаборатории – 18±2 °С, для пеляди, радужной форели и налима – 15±2 °С.

Таблица

ОИТ у молоди различных видов рыб из региона Верхней Волги в сравнении с другими видами

Семейство	Вид	Возраст	ОИТ, °С
	Сазан (карп)	0+ – 1+	30,0
	Карась золотой	0+ – 1+	28,5
	Карась серебряный	0+ – 1+	27,5
	Синец	0+ – 1+	27,3
	Уклейка	0+	27,0
Карповые	Лещ	0+ – 1+	26,5
	Густера	0+ – 1+	26,0
	Плотва	0+ – 1+	26,0
	Язь	0+ – 1+	25,8
	Пескарь	2+	20,5
	Гольян обыкновенный	3+	16,8
Головешковые	Головешка-ротан	0+ – 1+	27,5
	Речной окунь	0+ – 1+	25,7
Окуневые	Ерш	0+ – 1+	24,8
	Судак	0+ – 1+	24,0
Вьюновые	Вьюн	1+	25,0
Щуковые	Щука	0+	24,3
Осетровые	Сибирский осетр	0+	22,5
Сиговые	Пелядь	0+	17,0
Лососевые	Радужная форель	0+	15,5
Налимовые	Налим	0+	15,0

Показательно, что в пределах только одного семейства карповых амплитуда значений ОИТ достигала 15,0 °С: от 30,0 °С у молоди карпа до 16,8 °С у более взрослых особей обыкновенного гольяна. Высоким уровнем ОИТ отличались сеголетки чужеродного вида-вселенца головешки-ротана. Следует отметить также высокие значения ОИТ у уклейки и язя. У представителей других семейств наблюдалось уменьшение значений ОИТ с 25,7 °С (речного окунь) до 15,0–15,5 °С (радужная форель и налим). В сравнении с речным окунем несколько меньшие значения ОИТ показаны у судака и ерша.

Значения ОИТ отличаются у тепло- и холодолюбивых видов рыб, а разница ОИТ у рыб внутри семейства может быть существенной или незначительной. Сеголетки щуки и окуня, начинающие хищничать в конце лета, имеют приблизительно такой же уро- вень ОИТ, как и сеголетки других видов рыб, питающихся зоопланктоном. Многие виды карповых выбирают очень близкие значения ОИТ, сходные с ОИТ окуневых видов и головешки-ротана. В то же время ОИТ у более взрослых обыкновенного гольяна и пескаря сходны с ОИТ сибирского осетра и холодолюбивых налима, радужной форели и пеляди.

Для видов, обитающих в регионе Верхней Волги или выращиваемых там же в рыбохозяйственных целях, характерны следующие показатели ОИТ. Так, в рамках семейства вьюновых двухлетки-трехлетки гольца Noemacheilus barbatulus , в отличие от вьюна, избирают сравнительно низкую температуру (ОИТ равен ~15,1) [2]. Сеголетки стерляди Acipenser ruthenus (L.) близки по уровню ОИТ к молоди сибирского осетра –23,6° С [9]. Другие два вида-вселенца, бычок-головач, Neogobius kessleri (Gunther)

и бычок-цуцик, Proterorhinus marmoratus (Pallas), почти не различались между собой по уровню ОИТ, равному ~22,0–23,0 °С [2].

Скорость выбора зоны ОИТ была наиболее быстрой (от 2 до 4 суток) у теплолюбивых карпа, серебряного и золотого карася, головешки-ротана, а также у холодолюбивых пеляди, радужной форели и налима. Прочие виды иногда достигали зоны ОИТ только на 6–9-е сутки. Принципиально поведение в градиенте температуры у молоди разных видов не различалось, хотя присутствовали и некоторые особенности. Многие карповые предпочитали «стайный» выбор температуры и держались только группой. Окунь, ерш и ротан часто затаивались в углах отсеков градиента, периодически меняя свое местоположение. Корм выедался практически сразу. У сеголеток радужной форели были отмечены элементы территориального поведения. В целом, распределение рыб по градиенту температуры в зоне ОИТ отражает их теплолюбивость и другие особенности экологии.

Таким образом, полученные данные представляют несомненный интерес для ихтиологов, экологов, гидробиологов, специалистов высшей школы и рыбного хозяйства. Прежде всего, значение ОИТ характеризует эколого-физиологический и, возможно, эволюционный оптимум [3; 4; 6]. Так,

М. Джоблинг на примере 49 видов рыб показал высокую корреляцию между температурой оптимального роста и значением ОИТ [20]. Такое же соответствие отмечено нами на примере 11 видов пресноводных бореальных видов рыб [4]. Высокие значения ОИТ у молоди карпа (28–30 °С), подтвержденные многими исследователями, не удивительны, учитывая его происхождение из районов Юго-Восточной Азии [4 ; 19]. Тем не менее выращивание молоди данного вида по экономическим и техническим причинам лучше проводить при более низкой температуре ~24 °С.

Полученные данные могут быть полезны для разработки нормативов тепловой нагрузки на водоемы, а также для прогноза распределения рыб в естественных водоемах и зонах сброса подогретых вод ГРЭС, АЭС и крупных промышленных предприятий. Они также должны учитываться при решении ряда вопросов аквакультуры и возможной оценке риска инвазий видов-вселенцев, что наблюдается в последнее время в регионах Верхней, Средней и Нижней Волги. Такие температурные критерии, как ИТ и ОИТ, наряду с другими данными, характеризующими температурные требования пресноводных рыб [1; 4; 6; 10], существенно расширяют наши представления о разных формах температурных адаптаций рыб.