Изучение эколого-биохимических механизмов раннего развития лососевых Salmonidae рыб Северо-Запада России включало полевые и экспериментальные исследования развития икры и молоди лосося Salmo salar L., кумжи Salmo trutta L., а также в некоторых случаях - интродуцированного вида - горбуши Oncorhynchus gorbusha L. и кормовых объектов для молоди лососевых рыб из 20 различных биотопов и микробиотопов лососевых рек бассейнов Белого моря, Онежского и Ладожского озер. Проведены исследования икры перед нерестом, в период эмбрионального развития в искусственных и естественных условиях, у молоди возрастов 0+, 1+, 2+, 3+, 4+) и на разных этапах ее жизненного цикла (сеголетки, пестрятки, смолты). Изучена кормовая база молоди лососевых рыб в лососево-кумжевых реках. Использовали биохимические, молекулярно-генетические, гистохимические, а также гидробиологические и ихтиологические методы характеристики молоди лососевых рыб.

Получены следующие результаты:

1. На основе анализа собственных и литературных данных сформирована, теоретически обоснована и апробирована в процессе выполнения исследований по проекту система показателей биохимического метаболизма, которая достаточно полно охватывает важнейшие метаболические пути превращения макромолекул, обеспечивающие поддержание необходимого гомеостаза молоди лососевых рыб в процессах раннего развития. Система показателей биохимического метаболизма включает параметры липидного обмена(14 липидных показателей и 21 жирная кислота), энергетического и углеводного обмена (6 ферментов аэробного и анаэробного метаболизма), ферментов внутриклеточного протеолиза (5 ферментов различных протеолитических путей), активность ферментов лизосом (5 ферментов нуклеотидного, углеводного обмена), а также молекулярно-генетические показатели экспрессии генов тяжелой цепи миозина, MyoD, Myf-5, миогенина и ЦО, отношение РНК/ДНК и содержание белка. Эти биохимические показатели взаимосвязанных метаболических путей адекватно отражают процессы роста и развития молоди лососевых рыб в различных эколого-физиологических ситуациях.

2. Выявлены общие, сформировавшиеся в процессе эволюции и универсальные для процессов развития всех организмов черты, а также специфические особенности, характерные для раннего развития исследуемых лососевых рыб на Европейском Севере, обусловленные географией региона, видовой принадлежностью, фенотипической, генетически обусловленной разнокачественностью, условиями обитания молоди лососевых рыб в биотопах, различающихся гидрологическими и трофо-экологическими условиями, спецификой кормовой базы, а также особенностями возрастной динамики биохимических превращений исследуемых макромолекул и метаболических путей.

3. Биохимическая разнокачественность, которая обнаруживается уже в зрелой икре и в эмбрионах исследуемых лососевых рыб определяет специфику взаимодействия личинок и мальков со средой обитания, их устойчивость, выживаемость, физическую активность, миграционное поведение и адаптацию к различным экологическим условиям. Показано, что, несмотря на значительные запасы липидов в зародыше атлантического лосося, в качестве источника энергии на последних этапах эмбриогенеза используются преимущественно углеводы, что носит адаптивный характер, поскольку окисление углеводов может происходить в условиях ограниченного потребления кислорода. В процессе развития эмбрионов лосося углеводы используются не только в качестве источника энергии, но и для синтеза структурных компонентов. Одна из метаболических стратегий развития может быть связана с активно протекающими процессами образования энергии аэробным и анаэробным путем. Повышенный уровень энергетического метаболизма обеспечивает процессы роста и развития зародыша необходимым количеством энергетических ресурсов, что повышает его жизнеспособность, активность и подвижность. Другая стратегия предполагает снижение энергетических затрат и активное использование углеводных ресурсов в пентозофосфатном пути, продукты которого могут включаться в биосинтез нуклеиновых кислот и ряда некоторых структурных и запасных соединений. Липидные модификации, направлены на снижение вязкости биомембран и увеличение активности мембраносвязанных ферментов, а увеличение концентрации насыщенных и моноеновых жирных кислот перед выклевом личинки, скорее всего, связано с их синтезом de novo в связи с отсутствием их поступления с пищей (экзогенного питания). Изменения в динамике активности внутриклеточных протеиназ в икре лосося отражают процессы интенсификации белкового обмена, связанные с дифференцировкой, формообразованием и ростом зародыша в эмбриогенезе. Показаны некоторые различия в биохимическом статусе эмбрионов лосося на этапе пигментации глаз, развитие которых проходило в искусственных и естественных условиях, обусловленные, прежде всего, параметрами среды (температурой, кислородным режимом, проточностью воды в гнездах), в которой происходит эмбриональное развитие. Особенности биохимического статуса молоди лососевых рыб и ее двигательная активность, проявляющиеся на стадии эмбриогенеза, служат детерминантой их дальнейшего развития и влияют на формирование экологических группировок молоди рыб. В результате, при распределении из нерестовых гнезд часть выклюнувшихся личинок лосося имеет определенные метаболические преимущества, позволяющие им активно заселять лучшие выростные участки.

4. Показана взаимосвязь биохимических и молекулярно-генетических механизмов регуляции метаболизма с особенностями роста и развития у различных возрастных групп лососевых рыб (0+, 1+, 2+, 3+, 4+). У молоди лососевых рыб по мере "взросления" и на разных стадиях жизненного цикла (пестрятки, смолты) изменяется двигательная активность: усиливается чувствительность к потоку и способность удерживаться на высоких скоростях течения (реореакция). Стратегия пестряток – по мере роста освоить участки реки с большими скоростями течения (они "кормнее"); стратегия смолтов – не сопротивляться течению и скатиться в море.

Показано, что механизмы биохимических адаптаций молоди исследуемых рыб к условиям среды, сложившимся в исследуемых биотопах, включают изменения в энергетическом и пластическом обмене, при этом ведущая роль отводится именно энергетике метаболических процессов. Установлена тенденция снижения уровня аэробного синтеза АТФ с возрастом, увеличения анаэробного синтеза энергии и степени использования углеводов в анаэробном синтезе АТФ. Отмечено постепенное повышение активности 1-ГФДГ, что указывает на интенсификацию превращения углеводов в глицерофосфат – предшественник структурных и запасных липидов. Уровень ТАГ (запасных липидов) с возрастом практически не изменяется, а уровень ФЛ (структурных липидов) и еще одного типа запасных липидов - эфиров холестерина (ЭХН) снижается, что говорит об активном их использовании в процессе развития на построение биологических мембран и жирных кислот(ЭХН). Характер изменения экспрессии генов мышечных белков указывает на различие в механизмах регуляции миогенеза и процессах формирования мышечной ткани по гиперпластическому и гипертрофическому типу у разных возрастных групп лосося. Обнаружено, что возрастные группы лосося отличаются между собой интенсивностью процессов гиперплазии и гипертрофии, вероятно, непосредственно связанной с экспрессией гена MyоD. Установлено, что стабильность регуляции жизненных функций в процессе роста и развития молоди лосося и кумжи обеспечивается не только количеством пищевых жирных кислот, но и их соотношением. Среди всех изученных возрастных групп (0+ - 4+) исследуемых рыб выделяется "младшая" возрастная группа(0+, 1+) как по уровню биохимического статуса, так и по степени различий между фенотипическими группировками, обитающими в биотопах с различными трофо-экологическими и гидрологическими условиями. Именно в этот период мальки лососевых рыб находятся ещё на этапе выбора жизненной стратегии. При расселении из нерестовых гнезд личинки лосося, имеющие повышенную метаболическую активность, обладают большими энергоресурсами, мышечной массой, физической активностью, поэтому, несмотря на высокую скорость течения, они активно мигрируют в притоки с лучшими условиями для дальнейшего развития. У сеголеток, обитающих в более благоприятных по условиям питания и температуре притоках, обнаружена сравнительно высокая метаболическая активность, в результате чего они быстрее растут и уже через 1,5 месяца их масса почти в 1,5 раза превышает массу сеголеток из прибрежья главного русла реки. Активный рост и развитие молоди рыб из притоков сопровождается усилением синтеза структурных и запасных веществ, увеличением содержания сократительных белков в мышцах, высокой локомоторной активностью в подвижной среде обитания и приростом мышечной массы, что, в свою очередь, требует высоких энергетических затрат. Выбор местообитания сеголетками лосося обеспечивается поведенческими механизмами, в основе которых лежат биохимические адаптации.

Выявленные биохимические различия между мигрировавшими в притоки и оставшимися в прибрежье сеголетками лосося могут являться основой для формирования в последующем устойчивой дифференциации рыб на группы с разным биохимическим статусом и разными размерно-весовыми показателями. Такая дифференциация молоди лосося на стадии сеголеток (0+) может являться началом формирования внутрипопуляционной разнокачественности. Уровень экспресиии генов миогенных транскрипционных факторов и основного белка миозина имеет возрастную, сезонную и ассоциированную со смолтификацией динамику: он снижается с возрастом, в осенний период и сопряжен со снижением процессов прироста мышечной массы и темпов роста в целом. Сходной зависимостью скорость роста и накопление белковой массы у молоди лосося связаны с активностью внутриклеточных протеолитических ферментов в их мышцах, что, вероятно, отражает тот факт, что интенсивный рост исследуемых рыб и их физиологическая зрелость для миграции из рек в море обеспечиваются, в том числе, по механизму снижения уровня белковой деградации в их скелетных мышцах. Повышенный уровень биохимического метаболизма, высокий уровень гормонов у смолтов обеспечивает им физиологическую готовность к переходу в морскую среду. Установлены некоторые липидные показатели и индексы, характеризующие готовность к смолтификации кумжи и лосося. Первоочередными являются количественные соотношения ХС/ФЛ и ТАГ/ФЛ, а также НЖК/ПНЖК, 16:0/18:1(n-9), 18:2n-6/18:3n-3, 22:6n-3/18:3n-3, 20:4n-6/18:2n-6. Данные показатели четко определяют изменения в синтезе энергетических или структурных липидов, а также демонстрируют более «тонкие» механизмы адаптации к смене среды обитания с «пресной» на «морскую». Установленные различия биохимического статуса молоди лосося из разных биотопов могут определять растянутость (на 1-3 года) периода наступления смолтификации и, соответственно, времени миграции в море, что в целом является основой формирования сложной возрастной структуры популяции.

Результаты исследований указывают на то, что разнокачественность особей исследуемых рыб по биохимическому статусу является одним из определяющих факторов стратегии их роста и развития, адаптационного потенциала и обеспечивает, в конечном счете, выживание вида. Стабильность регуляции жизненных функций в процессе роста молоди лососевых рыб Европейского Севера обеспечивается структурными перестройками метаболических систем организма. Результаты свидетельствуют о фундаментальной роли биохимического метаболизма в процессах роста и развития лососевых рыб, в том числе, в дифференциации эмбрионов, личинок и мальков одной генерации, приводящей к образованию фенотипических групп с различными сроками смолтификации. Следует особо подчеркнуть, что исследования биохимического статуса проводились на молоди лососевых рыб, обитающих в природных водоемах, где они подвержены воздействию целого ряда факторов.

Практическая значимость результатов исследований лежит в русле разработки стратегии сохранения видов и отдельных популяций, поддержания внутрипопуляционного биоразнообразия, решения задач рационального природопользования и биомониторинга водоемов Европейского Севера. Исследования раннего развития лососевых рыб с использованием современных биохимических, молекулярно-генетических и эколо-ихтиологических методов позволяют рассмотреть возможность инновационных разработок для совершенствования и оптимизации технологии воспроизводства лососевых рыб естественных и искусственных популяций.