Temperature Adaptation in the Postembryonic Development of Acanthocephalus tenuirostris (Palaeacanthocephala: Echinorhynchidae)

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Скребни, относящиеся к роду Acanthocephalus Koelreuter, 1771, обитают на всех континентах и паразитируют только на холоднокровных животных. Для большинства из 54 валидных согласно последней классификации видов этого рода (Amin, 2013) промежуточные хозяева и детали жизненного цикла остаются неизвестными. При этом в составе рода имеются широко распространенные виды, экологии которых посвящены работы многих исследователей. Наиболее полные данные, включающие сведения о преимагинальной фазе жизненного цикла, протекающей в промежуточных хозяевах, собраны для трех обитающих в Европе видов: A. lucii (Müller, 1776) Lühe, 1911, A. anguillae (Müller, 1780) Lühe, 1911 и A .ranae (Schrank, 1788) Lühe, 1911. Их географическое распространение связано с зоной умеренного климата, только отдельные находки A. ranae были сделаны в более южных широтах (Heckmann et al., 2011). Промежуточными хозяевами этим видам служат пресноводные изоподы Asellus aquaticus (L., 1758), а дефинитивными – различные виды рыб, за исключением A. ranae, имагинальная стадия которого развивается в бесхвостых амфибиях. Личиночное развитие каждого из этих видов было исследовано экспериментально (Андрюк, 1979а, 1979б; Курбанов, 1978; Brattey, 1986).

Вид Acanthocephalus tenuirostris (Achmerovet Dombrovskaja-Achmerova, 1941) Yamaguti 1963 впервые был обнаружен в рыбах, обитающих в р. Амур. Дальнейшие исследования расширили географию находок скребня в бассейне р. Амур, а также круг его окончательных хозяев до 31 вида рыб (Соколовская, 1971). Поскольку бóльшая часть видов этих рыб – общая с ихтиофауной Китая, паразит был признан элементом китайского равнинного фаунистического комплекса, сформировавшегося в Сино-Индийской зоогеографической области (Стрелков, Шульман, 1971). Относительно недавно скребень найден также на о. Сахалин (Соколов, Фролов, 2012) и на юге Приморского края (Ермоленко, 2004). В то же время, ареал A. tenuirostris не ограничивается умеренными широтами, а продолжается к северу. Кроме находок на реках Енисей, Лена и Пенжина, указанных в Северной Азии (Пугачев, 2004), обширные местообитания скребня обнаружены в северной части Охотоморья (Атрашкевич, 1998; Поспехов и др., 2009; Поспехов, 2013) и верховье р. Колыма (Никишин, Леонов, 2000). В реках охотского бассейна и в водоемах на побережье Охотского моря скребень встречается часто и может считаться фоновым паразитом (Атрашкевич, 2009). В бассейне Верхней Колымы этот вид также нередок (Атрашкевич и др., 2016). Для вида зарегистрирована природная инвазия в промежуточном хозяине, широко распространенном на Северо-Востоке водяном ослике Asellus hilgendorfii Bovallius, 1886 (Атрашкевич, 1998), также проведено морфологическое исследование цистакантов скребня (Давыденко, Никишин, 2023).

Таким образом, жизненный цикл A. tenuirostris успешно реализуется в обследованных районах Субарктики и его развитию в промежуточных хозяевах не препятствует температурный режим холодного климата. Можно предполагать, что диапазон толерантных температур, к которому скребень адаптирован, достаточно велик, это позволяет его популяциям занимать северные территории. Поскольку методики для исследования температурных адаптаций свободноживущих организмов не применимы к гельминтам, судить о таковых возможно только на основании данных о продолжительности отдельных этапов онтогенетического развития в зависимости от температурных условий. Для выяснения воздействия термических условий на процесс постэмбрионального развития A. tenuirostris было предпринята попытка его изучения при контролируемой температуре, близкой к сезонным температурам теплого периода на Северо-Востоке. Основная цель на начальном этапе – определить срок, необходимый для формирования в промежуточном хозяине цистаканта – конечной личиночной стадии паразита. Сравнение данных о продолжительности личиночного развития родственных видов скребней, обитающих в разных климатических условиях, даст возможность оценить их температурные адаптации.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Материал для исследования был получен экспериментальным путем. Для постановки опытов с целью изучения развития в промежуточных хозяевах скребня A. tenuirostris в летние сезоны 2018–2021 гг. проводили сборы водяных осликов Asellus hilgendorfii в тех местообитаниях, где нами установлено отсутствие заражения этим видом скребня. Одно из них – приморский водоем на берегу Ольской лагуны Охотского моря (59°36' с.ш., 151°20' в.д.). Второй участок находился в бассейне Верхней Колымы (62°27' с.ш., 153°34' в.д.), в небольшом притоке р. Буюнды, протекающем по болотистой низине. Эти местообитания служили источниками подопытных раков для экспериментальных работ, проведенных в 2018–2021 гг. Инвазионный материал добывали из девятииглых колюшек Pungitius pungitius L., 1758, пойманных в оз. Глухое (59°44′ с.ш., 149°55′ в.д.) на побережье Охотского моря, и из хариусов Thymallus arcticus Valenciennes, 1848, пойманных в двух пунктах на р. Колыма (62°52' с.ш., 152°24' в.д. и 63°06' с.ш., 152°32' в.д.) в районе пос. Сеймчан. Заражение проводили в течение одних суток, после чего осликов пересаживали на чистый субстрат из опавших листьев, которые служат кормом этим ракам. Контейнеры с подопытными раками содержали в термокамере с регулируемой температурой и бытовом холодильнике. На протяжении экспериментов изымали партии осликов для вскрытия; во всех сериях их вскрывали после экспозиции 40 и 45 сут. Материал фиксировали в 70%-ном этаноле, для просветления объектов и приготовления временных препаратов применяли глицерин. Для изучения организации личинок и изготовления микрофотографий использовали микроскоп CarlZeissAxioImager.D1. Строение каждой личинки исследовали индивидуально после ее отделения от внутренностей рака. Для количественной характеристики зараженности использовали стандартные показатели – экстенсивность инвазии (ЭИ), интенсивность инвазии (ИИ) и индекс обилия (ИО), которые используют в паразитологических исследованиях (Пугачев, 1984).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Половозрелые экземпляры Acanthocephalus tenuirostris неоднократно отмечены в дефинитивных хозяевах, пойманных на различных участках в русле р. Колыма в районе пос. Сеймчан, а также в притоках р. Колыма – реках Буюнде и Эльгене, в оз. Солнечное, из которого вытекает другой колымский приток, р. Бахапча. Кроме того, очаг заражения обнаружен в старой протоке р. Кулу вблизи пос. Кулу, где инвазия зарегистрирована и в окончательных, и в промежуточных хозяевах.

Определение сроков развития A. tenuirostris в промежуточных хозяевах проведено при постоянной температуре в нескольких сериях экспериментального заражения водяных осликов Asellus hilgendorfii яйцами скребня. Осликов cодержали при температуре 15°С для сравнения наших результатов с данными Л. В. Андрюк (1979а), полученными при той же температуре. Зрелые самки А. tenuirostris для экспериментов были получены от девятииглых колюшек из водоема на побережье Охотского моря и хариусов из притоков р. Колыма. Зараженность колюшек не превышала 18%, зараженность хариусов достигала 46%. Подопытные раки также были собраны в географически изолированных друг от друга местообитаниях – в бассейне верхнего течения р. Колыма и на побережье Охотского моря. Варианты сочетания в опытах промежуточных хозяев и инвазионного материала из различных локальностей представлены в табл. 1.

Таблица 1. Зараженность личинками Acanthocephalus tenuirostris промежуточных хозяев Asellus hilgendorfii в проведенных экспериментах

Примечание. ЭИ – экстенсивность инвазии Asellus hilgendorfii (%) в опытах, проведенных в 2018–2021 гг.; в скобках дано число вскрытых Asellus hilgendorfii и найденных личинок Acanthocephalus tenuirostris (экз.).

Повторные эксперименты показали, что яйцами A. tenuirostris от колюшек и хариусов с одинаковым успехом заражаются водяные ослики Asellus hilgendorfii, обитающие в разных географических районах Магаданской обл. Также они продемонстрировали возможность промежуточных хозяев нести значительную нагрузку инвазии исследуемого скребня. Во всех сериях получено большое количество личинок различной организации (табл. 1). Поскольку одновременно обнаруженные в теле раков личинки находились на разных стадиях развития (рис. 1), для сравнения результатов, полученных в разных экспериментах, стадии в развитии личинок разделены на категории.

Рис. 1. Участок кишечника водяного ослика Asellus hilgendorfii с личинками Acanthocephalus tenuirostris разных стадий развития в возрасте 45 сут.

В настоящее время исследователи используют термины “акантор” – эмбриональная личинка, вышедшая из оболочек яйца в кишечнике промежуточного хозяина и “цистакант” – конечная стадия в процессе формирования личинки. Все промежуточные стадии личиночного развития объединяются понятием “акантелла”. Как правило, описания изменений в строении акантелл приводятся особо.

В нашем исследовании выделены четыре стадии развития, согласно которым проводили оценку изменений в организации личинок и их учет (рис. 2, рис. 3).

Рис. 2. Начальные стадии личиночного развития Acanthocephalus tenuirostris из промежуточного хозяина через 45 сут после заражения: а – ранняя акантелла; б – средняя акантелла.

Рис. 3. Продвинутые стадии личиночного развития Acanthocephalus tenuirostris из промежуточного хозяина через 45 сут после заражения: а – поздняя акантелла (начальный этап дифференциации зачатков); б – поздняя акнтелла (заключительный этап органогенеза); в – сформированный цистакант; г – циста с сократившимся цистакантом.

Стадия I. “Ранняя акантелла” (рис. 2а). Личинка имеет округлую форму. Во внутреннем строении отчетливо заметна более плотная область центральной ядерной массы и периферическая зона, в которой хаотично располагаются крупные ядра.

Стадия II. “Средняя акантелла” (рис. 2б). Начальный этап продольного роста. Характерно появление полости, в центре которой находится зачаток внутренних органов; в переднем и заднем концах также имеются недифференцированные зачатки пресомы и половых органов.

Стадия III. “Поздняя акантелла” (рис. 3а, 3б). Дальнейший рост личинки в длину. Дифференциация зачатков и быстрый органогенез, в результате которого формируются все структуры скребня.

Стадия IV. “Цистакант” (рис. 3в, 3г). Главный признак завершения формирования личинки – инвагинация хоботка. После этого с течением времени происходит сокращение мускулатуры, что заметно по образованию складчатости тегумента и появлению пустот по концам цисты.

Итоги культивации скребней в промежуточных хозяевах в опытах продолжительностью 45 и 252 сут представлены в табл. 2. Следует отметить, что для формирования цистаканта при температуре 15°C 40 сут оказалось недостаточно, во всех опытах наиболее продвинутой стадией, отмеченной в этот срок, была поздняя акантелла; но после 45 сут содержания в осликах неизменно присутствовали цистаканты. Кроме них во всех зараженных раках находились личинки более ранних стадий (рис. 1). Общее количество личинок, выросших в каждом эксперименте, оказалось значительным (табл. 1), что позволило определить соотношение продвинутых и заторможенных стадий развития (табл. 2).

Таблица 2. Показатели инвазии подопытных Asellus hilgendorfii и количественное соотношение стадий развития личинок (%) Acanthocephalus tenuirostris в экспериментах

Примечание. ПО – продолжительность опыта, сут; ИО – индекс обилия; ИИ – интенсивность инвазии промежуточных хозяев в опытах.

Низкий индекс обилия и, соответственно, наименьшее количество личинок отмечено в опыте “1/2018”. Это может быть связано с небольшим количеством яиц в мелких самках скребней, добытых из девятииглых колюшек. Их длина вдвое меньше (4.0–5.9 мм), чем у самок из хариусов, пойманных в бассейне р. Колыма (8.4–11.7 мм), которых использовали в остальных опытах. В условиях меньшей интенсивности инвазии относительно большее количество личинок достигло стадии цистаканта за одинаковый срок (табл. 2). Эксперимент “4/2021”, продолжавшийся >8 мес (252 сут), состоял из двух периодов. Первый период (45 сут) проходил при температуре 15°C, второй (остальные 207 сут) – при температурах 4–6°C. Зараженность промежуточных хозяев в этом опыте оказалась достаточно высокой (табл. 2). Состав личинок по сравнению с предыдущими опытами изменился: отсутствовали наиболее ранние стадии, большая часть личинок уже завершила свое развитие или была близка к завершению: из 193 личинок 64% достигли стадии цистаканта, 30% – стадии поздней акантеллы. Таким образом, полученный результат показывает, что при снижении температуры шансы на успешное окончание развития имеет большая масса инвазии.

Поскольку жизненный цикл скребней рыб связан только с эктотермными животными, то и развитие гельминтов напрямую зависит от температуры среды. Температурные адаптации определяют скорость онтогенетического развития организмов (Винберг, 1987) и, соответственно, необходимое для этого при различных температурах время, что может быть предметом исследования в отношении кишечных паразитов. Экспериментальное изучение сроков развития при задаваемых температурах позволяет, с одной стороны, получить представление о диапазоне благоприятных для объекта исследования температур и, с другой, – сравнить этот диапазон с климатическими характеристиками в его ареале.

Имеющиеся сведения о сроках постэмбрионального развития в водяных осликах Asellus aquaticus видов рода Acanthocephalus, обитающих в зоне умеренного климата Европы, позволяют оценить их отношение к условиям среды. Результаты экспериментов Л. В. Андрюк (1979а) на материалах, собранных в Смоленской обл. и проведенных при температурах 15, 18, 19, 22, и 25°С, показали, что повышение температуры заметно увеличивает скорость развития личинок A. lucii. Так, при 15°С для формирования цистаканта требуется 89 сут, при 25°С весь процесс занимает 19 сут. Опыты по культивированию личинок A. lucii, проведенные в Шотландии (Brattey, 1986), выявили линейный характер зависимости скорости их развития в интервале 9–22°С, что позволило экспериментатору определить температурный порог развития, или условный биологический ноль. Его значение составило 5.7°C; кроме того, было зарегистрировано прекращение развития на стадии ранней акантеллы в опыте, продолжавшемся 147 сут при 5°C (Brattey, 1986). Данные о сроках личиночного развития двух других европейских видов скребней ограничены результатами экспериментов, проведенных только при достаточно высоких температурах. Инвазионная стадия цистаканта A. angullae при 19°С образовалась за 43 сут, при 24°С – за 15 сут (Андрюк, 1979б); для A. ranae процесс формирования цистаканта занял 48 сут при 23–24°C (Курбанов, 1978).

Предпочтительными местообитаниями Asellus aquaticus, промежуточного хозяина упомянутых европейских видов, служат мелководные участки водоемов. По данным В.Г. Серова (1986), изучавшего паразитарную систему A. lucii в небольшом пойменном озере на территории Белоруссии, в весенне-осенний период основная масса водяных осликов держится на глубинах до 2 м. Поскольку температура воды тесно коррелирует с температурой воздуха, термический режим неглубоких озер и прибрежных участков водоемов в безледный период отображает ход сезонных температур воздуха (Здоровеннова и др., 2017) и может достигать высоких значений. Так, в центре Русской равнины в июле–августе при среднесуточных температурах воздуха 23–24°С температура в эпилимнионе оз. Плещеево поднимается до 25°С (Поддубный и др., 2020). Кроме того, в условиях умеренного климата достаточно велика продолжительность “биологического лета” – периода с температурой поверхностного слоя воды >10°С, который даже на севере в озерах Карелии может составлять 123–148 сут (Ефремова и др., 2016).

Таким образом, исследованный диапазон температур, при которых проходило личиночное развитие A. lucii в экспериментах (Андрюк, 1979а; Brattey, 1986), соответствует летним температурам в водоемах, расположенных в умеренных широтах. Результаты этих экспериментов демонстрируют широкий интервал толерантных для развития температур, что свидетельствует об эвритермности вида. Однако наиболее благоприятная для развития температура, ведущая к значительному сокращению его срока, относительно характеристик умеренного климата, находится в области высоких значений. Возможно, в природных биотопах приближению к оптимальным условиям ларвогенеза способствует поведение промежуточного хозяина. Установлено, что водяной ослик Аsellus aquaticus имеет свойство активно выбирать термические условия своего существования, причем избираемые температуры находятся в интервале 20.7–24.2°С (Вербицкий, 2012).

Другие европейскиe представители рода Aсanthocephalus angullae и A. ranae, успешно развивались при высокой температуре, хотя северные границы ареалов этих видов, судя по их находкам (Петроченко, 1956; Соколовская, 1962), пролегают в северных пределах умеренной зоны. При этом, местообитания A. ranae обнаружены также на юге Турции (Heckmann et al., 2011) в субтропическом поясе. Возможно, данный вид наиболее термофилен из перечисленных европейских видов, и его личиночное развитие может ускоряться при температурах > 24°C.

Первоначальные находки A. tenuirostris были ограничены бассейном среднего и нижнего течения р. Амур, однако в дальнейшем выяснилось, что ареал паразита охватывает не только зону умеренного климата. Местообитания, обнаруженные в верховьях р. Колыма, располагаются на территории многолетней мерзлоты в зоне субарктического климата. Поскольку на востоке России климатические условия с юга на север резко изменяются, разница летних температур в водных объектах на разных широтах весьма существенна. Так, в р. Арсеньевка (Даубихэ), где зарегистрирован A. tenuirostris (Ермоленко, 2004), и в его ареале на Нижнем Амуре в районе г. Хабаровск и в оз. Болонь (Соколовская, 1971) среднемесячные температуры воды превышают 10°C с мая по сентябрь, достигая в июле 22–23°C (Ресурсы…, 1967; Гидрологический…, 1969). При этом в материковых районах Магаданской обл., где существуют очаги инвазии A. tenuirostris, теплый период составляет 4–5 мес, а среднемесячные температуры воздуха календарных летних месяцев в районе поселков Сеймчан и Кулу колеблются в пределах 11.6–15.2°C и 9.3–12.9°C соответственно (Справочник…, 1966–1968). Совсем коротка продолжительность “биологического лета” в водных объектах субарктического региона. По имеющимся для известных местообитаний A. tenuirostris сведениям, весенний переход температуры воды через 10°C в р. Буюнда в среднем приходится на 19 июня, осенний – на 26 июля; в р. Кулу – 20 июня и 13 августа соответственно (Многолетние…, 1985).

Очевидно, что скребень A. tenuirostris имеет возможность расселения в субарктическом регионе благодаря своим термическим адаптациям. Распространение этого вида и в южных районах Дальнего Востока свидетельствует об его адаптации к весьма широкому диапазону толерантных для постэмбрионального развития температур, от которого зависят границы его ареала в разных климатических зонах.

Биотические факторы, по-видимому, не препятствуют распространению вида. Известно, что по отношению к окончательным хозяевам A. tenuirostris не отличается специфичностью и паразитирует на представителях разных систематических групп рыб, включая лососевидных, карповых, колюшковых и окуневых (Петроченко, 1956; Соколовская, 1971; Атрашкевич, 2009; Соколов, Фролов, 2012; Поспехов, 2013). Промежуточным хозяином служит вид водяного ослика A. hilgendorfii, распространенный от Приморья до Чукотки (Sidorov, Prevorčnik, 2016), при этом на Чукотке паразит отсутствует (Атрашкевич, 2016). Для массовых на северо-востоке России видов скребней рода Neoechinorhynchus, также являющихся гельминтами рыб, были выявлены температурные адаптации разного характера – от эвритермных свойств до признаков стенотермии (Михайлова, 2015). В связи с этим, предстоит выяснить, в какой степени повышение температуры может ускорять личиночное развитие A. tenuirostris, на каком участке температурной шкалы находится термопреферендум этого процесса, переносят ли личиночные стадии отрицательные температуры. Информация о предпочитаемых температурах на преимагинальном этапе онтогенеза скребня позволит судить об условиях среды, в которой вид сформировался, и, возможно, выявить факторы, способные ограничивать его распространение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленные в работе результаты экспериментов с преимагинальными стадиями A. tenuirostris демонстрируют увеличение темпов личиночного развития этого скребня по сравнению с европейскими видами. При температуре 15°C продолжительность развития до стадии цистаканта во всех опытах составляла ≤ 45 сут, что вдвое меньше срока, необходимого A. lucii для достижения этой стадии при той же температуре. Указанная температура соответствует максимальным среднемесячным значениям июля, наблюдающимся в водах рек северо-востока России (Михайлов, 2013). Несмотря на непродолжительность благоприятного периода, можно полагать, что процесс формирования инвазионных личинок укладывается в один летний сезон. Как показал эксперимент, процесс развития продолжается и при понижении температуры до 4–6°C. В условиях, при которых развитие европейского вида A. lucii останавливается на ранней стадии, личинки A. tenuirostris завершают развитие и достигают стадии цистаканта.

БЛАГОДАРНОСТИ

Автор выражает искреннюю признательность магаданским коллегам К.В. Кусенко, В.П. Никишину, К.В. Регель (Институт биологических проблем Дальневосточного отделения РАН) за содействие в проведении экспедиций и организации экспериментов. Особую благодарность автор приносит Ю.А. Слепцову (Институт биологических проблем Дальневосточного отделения РАН) за добычу дефинитивных хозяев исследуемого паразита в отдаленных районах Магаданской обл.

ФИНАНСИРОВАНИЕ

Работа выполнена в рамках государственного задания по теме “Гельминты в биоценозах северо-восточной Азии: биоразнообразие, морфология и молекулярная филогенетика”, № регистрации 1021060307693-0. Никаких дополнительных грантов на проведение или руководство данным конкретным исследованием получено не было.

About the authors

E. I. Mikhailova

Author for correspondence.
Email: emmodus@gmail.com
Russian Federation, Magadan

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Intestinal tract of the water donkey Asellus hilgendorfii with larvae of Acanthocephalus tenuirostris of different stages of development at the age of 45 days.

Download (219KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. The initial stages of larval development of Acanthocephalus tenuirostris from an intermediate host 45 days after infection: a – early acanthella; b – middle acanthella.

Download (180KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Advanced stages of larval development of Acanthocephalus tenuirostris from an intermediate host 45 days after infection: a – late acanthella (the initial stage of differentiation of rudiments); b – late acntella (the final stage of organogenesis); c – formed cystacanthus; d – cyst with a reduced cystacanthus.

Download (324KB)

Indexing metadata